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铂电阻Pt100与温度测试

时间:2012-10-19  来源:38hot  作者:lymex

2、恒流单元
的确有恒流二极管这样的两端恒流器件,但精度低。所以Pt100所用的恒流源基本上都是电压基准+精密电阻+运放 这种方式取得的。
以下恒流单元具有非常简单的特点,恒流电流由V1/R1来决定,恒流精度也可以很高,但Pt100没有地接点,需要后续用差分放大。




以下是原始的Howland恒流源,具有所需电压基准和输出负载都接地的特点,便于使用,但需要两对匹配的电阻:
R1/R2=R3/R4
恒流电流=2.5V/R1


以下是改进型Howland电路,同样具有所需电压基准和输出负载都接地的特点,并要求R1=R2,R3=R4。
恒流电流=2.5V/RS。



C、直接进行电阻-电压转换

利用模拟电路,把Pt100的阻值,转换成成正比的电压信号,再进行后续ADC转换,温度值通过数字运算得到。
转换电路常见有:
1、桥式电路,即Pt100作为电阻桥的一个臂,加上标准电压,从两臂之间的节点取得输出并进行差分放大。
这种方式简单,但由于桥式电路输出的复杂性,输出对于Pt100并非严格线性,的得到的电压信号并不完全正比于Pt100。另外,随着温度的变化,加在Pt100上的激励电流也是变化的。因此,这种电路只适合要求较低的测温场合,测温范围也不宜过大。


补充:不同温度下、不同桥压下,Pt100阻值与输出电压的非线性。

2、恒流电路,即给予Pt100和电阻以恒流激励,然后测试Pt100的电压。这种方法理论上可以得到完全正比于Pt100电阻的电压信号,克服了普通电桥的非线性,而且恒流也使得输出与Vcc无关。这个电路的缺点是比较复杂,因为需要两个1mA的恒流源




上述电路中,1mA电流在100欧的R2上,产生了一个0.1V的电压。如果有一个比较稳定的电压基准,也可以通过分压的方式得到0.1V。另外,上述两个电路,都是以0度下为零点的,即摄氏零度时输出为0,负温度下输出为负值。
下面这个电路,省掉了一个桥臂,放大器也从差分放大改成了普通放大,其好处除了简单外,具有更直接的输出、更大的测试范围。这个电路实际上是对Pt100的整体进行测试转换的,起点是Pt100=0,而0度时由于阻值为100欧因此输出1.00V,100度时阻值大约为138.5欧因此输出1.385V。如果测温下限为-50度,此时阻值为80.3欧,输出就是0.803V。这样,0.8V以下就浪费了,因此要对后续的ADC的动态范围要求更高。


以上两个电路中,都省略的方式画出了1mA恒流源,这恒流源可以用前面提到的共地的恒流源替代。
但是对于第一种不共地的恒流源,就要求用差分放大器进行放大了。由于Pt100两端的电压不同,直接采用输入偏流大的差分放大器,会使得上下偏流不同,因此就干扰了那个浮动的恒流源,使得Pt100的电流会随温度的变化而改变。电路如下,这是一个精度不算高的电路,例如在50度的时候误差有0.15度,100度的时候误差有0.35度:当然,在-30度到30度的范围内,误差不超过0.1度,因此精度要求高就只适合常温测试。



D、二线、三线、四线Pt100

二线的Pt100最简单,用起来也最方便。上面几个电路中,均采用2线的Pt100。
但是,引线电阻实际上是存在的,尤其是在温度测试端到达检测放大比较远的场合,引线就比较长,引线电阻会引起测试误差。下图中R1和R2就是引线电阻,与Pt100是串联的,直接影响了测试精度。
例如当Pt100阻值为123.45欧时(60.54度),理应输出电压也为123.45mV,但实际上是124.052mV,对应62.11度,误差就有1.57度了。





四线的
4线Pt100最好用但也最复杂,用的也少,主要用在计量、超高精度的场合。由于对称性,上下随便分别选择两线,通以1mA电流后,可以在另外两线上得到很精确的反应电阻Pt100的电压信号,理论上没有误差。如下图,即便把引线电阻加大到2欧,也不会有误差,因为作为电压测试的表(或者运放),其偏流很小,不会在R2和R3上产生可观察的电压。





三线的Pt100具有相对简单,但又具有可以完全引线补偿的优势,因此用途比较广泛。
如图,三条引线在制作上要求电阻是完全一样的,假设均为2欧。通以1mA恒流后,理论上可以分别测试两个电压,然后相减,即可得到无引线误差的电压信号。
按照图上的接法,先对Pt100读数,然后再换到两根线在一端的两根线再读出电压,相减,就可以精确的得到Pt100的实际阻值。



因此,很多文献中采用了开关转换的方式,用ADC采集两次,然后用数字的方法减去,得到Pt100的真正阻值。
但是,这种方法实现起来比较复杂,常用非开关、非数字的硬件减法或硬件引线抵消电路,用硬件模拟电路的办法,把三线Pt100的内部阻值,高精度的转化成电压信号。


三线引线减法



如果没有R7,那么运放就是个跟随,输出B2也就是输出电压就是A1也就是A0。
有了R7后形成减法电路,A0比正常的Pt100电压高了一个线压,B0高了二个线压,但由于B1与A1电压相等也就是与A0相等,其反向作用使得B2比B1低了一个线压,所以输出就是Pt100的压降了。当然,这个电路没有放大作用。


三线桥接法


Pt100主电阻接到桥的左下臂,同时包括了单端引线电阻R3。另一端的2线电阻R1和R2,其中R2作为公共端接地,这样R1就被对称的引入到桥的右下臂,形成左右对称,这样在0度的时候Pt100=R0=100欧,零点就与引线电阻无关了。但是,这种电路严格说来,引线电阻对灵敏度仍然有少许影响,因为引线电阻越大,Pt100就占的比例约小了。比如1欧线阻、100度的场合,会产生0.03度的误差,这其实很小。

三线恒流桥接法



采用两个1mA的恒流源替代上述桥路中的两个上桥臂电阻R4和R5,这样就完全避免了引线电阻对桥路电流的影响,也就使得灵敏度与Pt100的具体阻值无关,也就是说,无论Pt100多大、处于什么温度,Pt100每增加1欧,都会得到1mV的附加输出,因此输出电压与Pt100阻值完全成正比。

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