三線制PT100熱電阻測(cè)溫電路的設(shè)計(jì)

摘要:本文詳細(xì)闡述了三線制PT100熱電阻溫度測(cè)量原理，并設(shè)計(jì)了PT100 三線制溫度測(cè)量電路，在硬件電路上消除了導(dǎo)線對(duì)測(cè)溫的影響,詳細(xì)分析了電路原理并給出計(jì)算過(guò)程，電路簡(jiǎn)潔實(shí)用、測(cè)量精度較高。
工業(yè)中經(jīng)常要對(duì)溫度信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，而PT100測(cè)溫范圍在-200~850℃之間，并且具有較好線性度，測(cè)溫正確,因此在供熱、電力以及石油化工等領(lǐng)域被廣泛的應(yīng)用。
1系統(tǒng)原理
　　熱電阻是根據(jù)電阻的熱效應(yīng)阻值隨溫度的變化而變化，因此,可以根據(jù)其阻值測(cè)量溫度,常用的熱電阻有P100、PT50以及Cu50等,其中以P100應(yīng)用最為廣泛。
在實(shí)際中PT100傳感器和現(xiàn)場(chǎng)儀表之間連線會(huì)較長(zhǎng),接線的導(dǎo)線電阻將引入測(cè)量誤差，因此在工業(yè)中常采用三線制消除導(dǎo)線引人的誤差。三線制測(cè)量原理如圖1所示。

　　測(cè)量時(shí)導(dǎo)線電阻為rLl、rL2、rL3,三條導(dǎo)線采用同規(guī)格同長(zhǎng)度,因此;RT為PT100阻值,測(cè)量端U1點(diǎn)U2點(diǎn)的測(cè)量電路采用高阻抗輸人電路。為測(cè)量RT的阻值,在U1端加入恒定電流I。則電壓U1為:

　　根據(jù)以上對(duì)三線制原理的分析,設(shè)計(jì)熱電阻三線制測(cè)量電路如圖2所示,電路由恒流源電路和差動(dòng)放大電路兩部分組成。
　　其中恒流源電路主要出電壓基準(zhǔn)Ul、運(yùn)算放大器U2與二極管Q1.Q2以及外圍阻容元件組成。恒流源電路由集成電壓基準(zhǔn)芯片LM385-2.5提供參考電壓Ud=2.5V,因此運(yùn)放的同相端③腳電壓為5V-Ud;根據(jù)運(yùn)放虛短特性可以得出U2反相端②腳的電壓也為5V-Ud。即二極管Q1的發(fā)射極電壓為5V-Ud,而電流采樣電阻R1兩端的電壓- -端為5V,另-端接在了Q1的發(fā)射極,所以加在RI兩端的電壓實(shí)際為:5V-(5V-Ud)=Ld。所以流過(guò)R1的電流即為。根據(jù)運(yùn)放虛斷特性,R1與U2反相端②腳之問(wèn)是沒(méi)有電流流過(guò)的，因此電阻R1上的電流全部流人了三極管Q1的發(fā)射極, 而復(fù)合三極管Q1.Q2的I_C1= I_E1- I_B2,其中I_C1=β1β2IB2,由于Q1.Q2選用9015的β值般均在100以上，因此I_C1>10000xI _B2,因此可以近似認(rèn)為I _C1= I_E1,誤差為0.01%以下，可以忽略,所以三極管Q1集電極電流就是發(fā)射極電流,并且在運(yùn)算過(guò)程中消除了電源電壓+5V的影響,誤差僅與電阻R1與電壓基準(zhǔn)U2有關(guān)，因此R1電阻要選擇溫漂較小的金屬膜電阻。
差動(dòng)放大電路主要由運(yùn)算放大器U3以及電阻R4~R9組
成,其輸人輸出傳遞函數(shù)如下:

　　經(jīng)運(yùn)放U3差動(dòng)放大后的信號(hào)經(jīng)R10,C3進(jìn)行低通濾波后送的AD轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)字化測(cè)量即可，根據(jù)測(cè)出的RT值查找PT100分度表并經(jīng)插值運(yùn)算郎可得到溫度值。
　　為了提高測(cè)量精度,電路中運(yùn)算放大器選用常用的0P07低噪聲低溫漂精密運(yùn)算放大器。它的輸人失調(diào)電壓小于25μV ,輸人偏置電流低小于±2nA，失調(diào)電壓漂移僅有0.5μV/C。

3結(jié)論
　　此PT100三線制溫度測(cè)量電路已經(jīng)應(yīng)用與在多個(gè)測(cè)溫儀表以及RTU當(dāng)中，實(shí)踐表明，電路簡(jiǎn)單，調(diào)試方便、測(cè)量精度較高,電路可靠,到達(dá)最初設(shè)計(jì)要求。