铂热电阻测温电路实用性的探讨

引言
    根据电厂各种测温材料性能要求,采用铂为测温元件,对测温电路进行重新设计。测温电路的设计实现了温度测量微机数字化,使测量温度的误差大大减少,在0～630℃范围内最大绝对误差为0.04,为系统的稳定运行提供了可靠的温度依据。

1. 设计思想
    电厂的热自动控制是非常重要的。它是电厂的核心,关系到电厂的安全生产。热自动控制的一些依据是温度,温度测量的准确度是非常重要的。铂金属虽然比较贵重,但它具有较好的电阻系数,较大的电阻率;因此,它的温度灵敏度高,对温度变化的反应速度快;同时,电阻温度特性较好,便于分度和读数。为此,笔者选用铂金属作为温度测量元件,对铂热电阻测温电路进行了重新设计。

2. 基本原理
    热电阻温度传感器是利用导体或半导体的电阻率随温度的变化而变化的原理制成的。铂属贵重金属,具有耐高温、温度特性好、使用寿命长等特点,因而得到广泛应用。铂电阻阻值与温度之间的关系是非线性,即
Rt = R0 ( I +αt +βt2 ) ( t在0～630℃之间)               (1)
式中: Rt —铂热电阻的电阻值,Ω;
R0 —铂热电阻在0℃时的电阻值, R = 100Ω;
α—一阶温度系数,α = 3.908 ×10 ^-3 ( ℃)
β—二阶温度系数,β = 5.802 ×10 ^-7 ( ℃)
在实际测温电路中,测量的是铂电阻的电压量,因而需由铂热电阻的电阻值推导出相应的电压值与温度之间的函数关系,即
Ut = f (Rt ) = f[ f ( t) ]            (2)
从而计算出(即测量)实际的温度。

3. 设计方案
    铂热电阻测温电路的总体方案为:依据铂热电阻阻值的测量从而计算出(测量)实际的温度。为了提高测量精度,减少误差,采用三导线单臂电桥测量,测量电压是毫伏级。为此测量电压必须经过放大器放大后,才能输入到微机A /D或V /F部分进行计算机处理,从而实现微机数字化温度测量,提高测温的准确性。
3.1　测温电路的电源部分
    由于铂热电阻接在三导线单臂电桥,铂热电阻的单臂电桥需要电源供电,供电电压UA = 5V。采用计算机进行测量,又需要提供微机整机电源。这样需要提供两套电源。为了提高测量温度精度,减少对测温电路的干扰,这两套电源采用相互独立的电源供电,电路如图。UA = 5V为铂热电阻电源,U为微机电源。
 

3.2　测量电路
    工业测量用电阻温度计,其阻值Rt 的变化是用电桥来测量的。在现场中,为了提高测量精度,减少非线性误差,采用了三导线单臂电桥。见图2。
 
图2　三导线单臂电桥
    图中电桥供电电压UA = 5V。为了保证电压精度,采用WR2 =Ω来调节电桥电源电压UB ,使UB = 4V,WRt 为150Ω的滑线电阻,其目的在于保证电桥电路中当t = 0℃时,Ut = 0V,Ao为电桥独立接地点。
    桥臂电阻R1 =R2 = 10KΩ,根据串联电路特性求电桥a、b两点的电位,即
Ua/Rt = UB/(R2 +Rt)
Ub/WR1 = UB/(WR1 +Rt)
则
Ua =UB Rt / (R2 +Rt )          (3)
Ub =UBWR1 / (R1 +WR1 )          (4)
由电桥初始平衡条件可得
R2/Rt = R1/WR1
即
R2 ×WR1 =R1 ×Rt
而
Rt = R0+ △Rt
由图可知:
 
将R2 ×WR1 =R ×Rt , Rt = R0 + △Rt 及式(1)式入式(5)得
Ut =Ua - Ub =UB R1R0 (αt +βt2 ) /2αt2R0 + R0 + R2 )(R1 +WR1 )        (6)
式(6)中的Ut 为毫伏级。

3.3　电压放大回路
    由于三导线测量的电压U是毫伏级,而微机的A /D或V /F转换需要5V电压,为此测量电压必须经过精密放大器的放大后,才能作为A /D或V /F转换的输入值。精密放大器电路如图所示。
式(1)适合的温度范围为0～630℃代入式( 6)中,得
Ut = 0. 084V。
如果放大后的Uf 以5V为上限,则放大倍数Kmax =5V /Ut = 5 /0. 084=59. 25,即放大倍数不能超过此值,反之,如果放大倍数取得太小,那么A /D 或转换分辨力降低。因此,放大倍数应取30～50为宜,本文取K = 50。
 
图3　精密放大器电路

3.4　微机测温的计算
由于K = 50,则
Uf = KUt (7)
将式(7)代入式(6)并代入相应参数值,经过整理得
(1. 1604 - 0. 01172Uf ) t² + (78. 942Uf - 7816. 04) t = 0           (8)
    式(8)即是本文所要推导的t = f (Uf )的函数式。利用此式只要对A /D或V /F检测出Uf 的值,可能计算出测量温度值t = ( - b - b² - 4ac) /2a。由于微机采用节节点浮点数进行计算,从而求出铂热电阻的实际温度值。

4. 实际应用
    根据以上的铂热电阻测温电路的设计,进行实际应用测试。以实际温度为0 ～630℃进行测试计算,计算结果如附表。
附表达式取值表

    从表中可以看出在0～630℃范围内测量温度的最大绝对误差为0. 04,使系统具有较小的误差,较高的测量精度。

5. 结束语
    铂热电阻测温电路的设计,由于采用三导线单臂电桥测量的微机测温计算,误差为0104,使测量误差最小,精度高,保证热电厂热控安全稳定运行。