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铂电阻Pt100与温度测试

时间:2012-10-19  来源:38hot  作者:lymex

混合恒流补偿

以上电路可以得到线性的电压,但电路比较复杂。不仅需要两个恒流源,而且需要后续用差分放大器,这样就需要两对比较严格匹配的电阻。
以下电路,Pt100仍然是作为左下臂,但电桥从左右对称改成了上下对称,Pt100的单端引线电阻R3和双端引线电阻之一R1分配到左边上下两个桥臂上,因此其共同的变化也就不会影响上下对称,双引线的R2只流过运放的Ib,更是可以忽略的。更重要的是,桥的四臂同时也是作为差分运放的4个电阻来用的,而右下桥臂还巧妙的包含了R5、R6增益部分。

这个电路最大的特点是简单,只用了一个恒流源,电阻公用,省去了两个差分配对电阻。
右桥臂的选择,上下要同阻值,阻值可以稍微大一些以便不影响恒流(当然也可以通过少许增大恒流源来补偿),但也不应大于让运放的Ib影响桥路的程度。R2一般要串联一个100k的电阻以便平衡Ib的影响,但对于Ib很小的CMOS运放可以省略,甚至对于Ib补偿型运放(失调电流大于偏置电流),加了这个电阻是有害的。R8与下面的电阻串联后应该等于R7,即:
R8=R7-R5||R6
R4为Pt100在零度时的阻值。


简化补偿


电路类似上述,但把1mA恒流源用电阻替代,同时适当增大Vcc。
电路更简化了,但误差也增大了一些,到50度的时候误差有0.1度,这在很多场合下也是可以接受的。

非线性误差
以上4种3线测试电路,输出电压与Pt100阻值之间的线性如何呢?
通过仿真计算,在不同的温度下,得到了非线性误差曲线如下:

可以看到,5V桥电路的非线性误差最大,在80度下达到了0.75度。因此,桥电路不适合大温度范围,也不适合搞精度测试。
简化补偿桥要好一些,80度的时候误差0.17度,这对于普通范围下的测温也许够了。而两个恒流的电路,尤其是恒流补偿,几乎没有非线性。


E、带有数字电路的测温
先用通常的电阻测试方法得到Pt100的阻值,然后通过计算得到温度。计算的办法就是上一段所描述的那样。

由于存储、CPU越来越普及,表内自建数字线性化温度转换功能的温度表也变得越来越容易,因此目前的Pt100测温仪主要是数字型的。下面的几种温度测试方法也都是基于此类原理的。

1、专用测温仪
带有专用探头或者可以接受通用Pt100,显示分辩0.01度,例如这个:


2、带有铂电阻温度功能的万用表
很多高位表带有RTD测试功能,常见的例如34410A、34420A、3458A、8846A、8508A。

以下为MX6.5测试Pt100,可以2线、3线、4线法,直接给出摄氏温度,分辨到0.01度


以下为MetraHit 30M手持表测试Pt100,可以用2线Pt100也可以4线的,但遗憾的是不能3线Pt100。不过,该表最大的特点是可以在2线测试的时候输入引线电阻值,可以内部数字补偿消除。因此,若有3线电阻,那就可以方便的测试得到引线电阻值,然后补偿掉。
该表直接显示温度,分辩到0.01度:


以下为34420A测试Pt100的情况,可以2线也可以4线,直接显示温度,分辩到0.001度:


以下为3458A接上Pt100后,直接读出高分辨的温度,2线和4线的都可以:


通过对几个带有Pt100测试功能的高位表的对比测试,温度值与电阻值的吻合程度相当好。测试均采用4线法进行,无论测试电阻还是测试温度,因此可以排除引线电阻的影响。不吻合的部分应该是转换功能的过程中温度发生了变化所致。其中MX6.5的内部软件有一些问题,导致温度有2度多的偏差,新版的MX6.5这个问题已经解决。



3、采用线性变换公式
很多万用表不具备Pt100测试功能,但具有数学运算功能,主要是一次方程,可以输入比例系数和常数进行运算,例如HP3456,公式为:
显示值 = (电阻读数 - 100)/0.385
直接可以得到摄氏温度。
当然,这种方法就是用线性模型替代了2次方程,主要适合0度到100度的温度范围,最大误差为0.38度。


以下公式,做了偏离,尽管0度误差不为零,但可以在0-100度的范围内,最大误差不超过0.18度:
显示值 = (电阻读数 - 100.07)/0.3851


以下公式,适合0-50度,最大误差不到0.05度:
显示值 = (电阻读数 - 100.018)/0.38794

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