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圖:Pt100熱電阻測溫電路設計與調試

更新時間:2017年05月04日 所屬類別:知識百科 閱讀量:

Pt100鉑電阻溫度傳感器是利用其電阻和溫度成一定函數關係而製成的溫度傳感器,由於其測量準確度高、測量範圍大、複現性和穩定性好等,被廣泛用於中溫(-200℃~650℃)範圍的溫度測量中。

三線製PT100熱電阻橋式測溫電路圖

圖一:三線製PT100熱電阻橋式測溫電路圖

鉑電阻PT100是一種廣泛應用的測溫元件,在-50~600℃範圍內具有其他任何溫度傳感器無可比擬的優勢,包括高精度、穩定性好、抗幹擾能力強等。由於鉑電阻的電阻值與溫度成非線性關係,所以需要進行非線性校正。校正分為模擬電路校正和微處理器數字化校正,模擬校正有很多現成的電路,其精度不高且易受溫漂等幹擾因素影響,數字化校正則需要在微處理係統中使用,將Pt100電阻的電阻值和溫度對應起來後存入EEPROM中,根據電路中實測的AD值以查表方式計算相應溫度值。

常用的Pt100電阻接法有三線製和兩線製,其中三線製接法的優點是將PT100的兩側相等的的導線長度分別加在兩側的橋臂上,使得導線電阻得以消除。常用的采樣電路有兩種:一為橋式測溫電路,一為恒流源式測溫電路。其中圖1為三線製橋式測溫電路,圖2為兩線製橋式測溫電路,圖3為恒流源式測溫電路。

下麵分別對橋式電路和恒流源式電路的原理在設計過程中應注意事項進行說明(注:這兩個電路本人均有采用及試驗,證明可行)。

橋式測溫電路

橋式測溫的典型應用電路如圖1所示(圖1和圖2均為橋式電路,分別畫出來是為了說明兩線製接法和三線製接法的區別)。

測溫原理:電路采用TL431和電位器VR1調節產生4.096V的參考電源;采用R1、R2、VR2、Pt100構成測量電橋(其中R1=R2,VR2為100Ω精密電阻),當Pt100的電阻值和VR2的電阻值不相等時,電橋輸出一個mV級的壓差信號,這個壓差信號經過運放LM324放大後輸出期望大小的電壓信號,該信號可直接連AD轉換芯片。差動放大電路中R3=R4、 R5=R6、放大倍數=R5/R3,運放采用單一5V供電。

兩線製PT100熱電阻橋式測溫電路圖

圖二:兩線製PT100熱電阻橋式測溫電路圖

設計及調試注意點:

1、同幅度調整R1和R2的電阻值可以改變電橋輸出的壓差大小;

2、改變R5/R3的比值即可改變電壓信號的放大倍數,以便滿足設計者對溫度範圍的要求。

3、放大電路必須接成負反饋方式,否則放大電路不能正常工作(以前就有個工程師特別提醒說隻有接成正反饋才能正常工作,我也沒做試驗就拿它當經驗,害得我重新做板)。

4、VR2也可為電位器,調節電位器阻值大小可以改變溫度的零點設定,例如Pt100的零點溫度為0℃,即0℃時電阻為100Ω,當電位器阻值調至109.885Ω時,溫度的零點就被設定在了25℃。測量電位器的阻值時須在沒有接入電路時調節,這是因為接入電路後測量的電阻值發生了改變。

5、理論上,運放輸出的電壓為輸入壓差信號×放大倍數,但實際在電路工作時測量輸出電壓與輸入壓差信號並非這樣的關係,壓差信號比理論值小很多,實際輸出信號為4.096*(RPt100/(R1+RPt100)- RVR2/(R1+RVR2))(1)式中電阻值以電路工作時量取的為準。

6、電橋的正電源必須接穩定的參考基準,因為如果直接VCC的話,當網壓波動造成VCC發生波動時,運放輸出的信號也會發生改變,此時再到以VCC未發生波動時建立的溫度-電阻表中去查表求值時就不正確了,這可以根據式(1)進行計算得知。

恒流源式測溫電路

恒流源式測溫的典型應用電路如圖3所示。

PT100熱電阻測溫電路圖

圖三:PT100熱電阻恒流源式測溫電路圖

測溫原理:通過運放U1A將基準電壓4.096V轉換為恒流源,電流流過Pt100時在其上產生壓降,再通過運放U1B將該微弱壓降信號放大(圖中放大倍數為10),即輸出期望的電壓信號,該信號可直接連AD轉換芯片。

根據虛地概念“工作於線性範圍內的理想運放的兩個輸入端同電位”,運放U1A的“+”端和“-”端電位V+=V-=4.096V;假設運放U1A的輸出腳1對地電壓為Vo,根據虛斷概念,(0-V-)/R1+(Vo-V-)/RPt100=0,因此電阻Pt100上的壓降VPt100=Vo-V-=V-*RPt100/R1,因V-和R1均不變,因此圖3虛線框內的電路等效為一個恒流源流過一個Pt100電阻,電流大小為V- /R1,Pt100上的壓降僅和其自身變化的電阻值有關。

設計及調試注意點:

1、電壓基準源可以采用TL431按圖1的電路產生可調的。

2、等效恒流源輸出的電流不能太大,以不超過1mA為準,以免電流大使得Pt100電阻自身發熱造成測量溫度不準確,試驗證明,電流大於1.5mA將會有較明顯的影響。3、運放采用單一5V供電,如果測量的溫度波動比較大,將運放的供電改為±15V雙電源供電會有較大改善。

4、電阻R2、R3的電阻值取得足夠大,以增大運放的U1B的輸入阻抗。

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