硬件手册——PT100精密测温电路

PT100精密测温电路

一、需求分析

根据题目要求为：测温范围为0-100℃、测温精度要求为±1℃。由于铂电阻具有精度高、性能可靠、稳定性好的特点，且铂电阻的电阻相对变化率与温度的关系曲线线性度最好，故选择铂电阻作为敏感元件。而在国标中，铂电阻有几种不同的标准，如PT100、PT1000。分别对应着0摄氏度下铂电阻的阻值为100R和1000R，由于需要考虑铂电阻的自发热问题，所以尽量选择阻值小的铂电阻，故选择PT100为最终型号。

二、电路设计

2.1 热电阻接法

热电阻测温电路有多种接法，其中三线制会导致可调电阻的接触电阻与电桥臂的电阻相连，可能导致电桥的零点不稳。所以最后采用四线制接法，四线制解法的示意图如图一所示

PT100精密测温电路

一、需求分析

根据题目要求为：测温范围为0-100℃、测温精度要求为±1℃。由于铂电阻具有精度高、性能可靠、稳定性好的特点，且铂电阻的电阻相对变化率与温度的关系曲线线性度最好，故选择铂电阻作为敏感元件。而在国标中，铂电阻有几种不同的标准，如PT100、PT1000。分别对应着0摄氏度下铂电阻的阻值为100R和1000R，由于需要考虑铂电阻的自发热问题，所以尽量选择阻值小的铂电阻，故选择PT100为最终型号。

二、电路设计

2.1 热电阻接法

热电阻测温电路有多种接法，其中三线制会导致可调电阻的接触电阻与电桥臂的电阻相连，可能导致电桥的零点不稳。所以最后采用四线制接法，四线制解法的示意图如图一所示

图一：四线制接法

2.2 恒流源的选择

由于热电阻的自热效应，要保证流过电阻的电流尽量小，一般希望电流小于10mA，经查证铂电阻PT100自体发热1 mW约会造成0.02～0.75℃的温度变化量, 所以降低铂电阻PT100的电流亦可降低其温度变化量, 然而, 若电流太小, 则易受噪声干扰, 所以一般取值在0.5～2 mA[1]，所以将恒流源电流选择为1mA恒流源。有以下两种选择

2.2.1 LM134恒流源

选择芯片为LM134恒流源芯片。1mA恒流源电路如图二所示

图二 1mA恒流电路

电阻R2、R3的选择根据数据手册确定，从电路上看，在温度为25℃的情况下，电流源电流为1.0068mA，即该电流源的精度为0.6%。而该电流源的输出电流的精度与R2、R3有直接的关系，所以电阻R2、R3的精度应当尽量高，为0.1%的精密电阻。当然，为了适当降低成本，也可采用可调电阻，在人工标定好电流以后，用热熔胶将电阻的调整端封住即可。但是该电路存在温漂过大的情况。该电路的工作环境温度为0-100℃，所以不予采用。

2.2.2 TL431恒压源

选择芯片为恒压源芯片TL431，然后利用电流负反馈转化为恒流源，电路如图二所示

图三 TL431恒流源

其中运放CA3140用于提高电流源的带载能力，输出电流的计算式为
$$I_o=\frac{1+\beta }{\beta }{I}_{r10}=\frac{U-V_{ref}}{R_{10}}=\frac{\frac{V_{ref}}{R_3}(R_2+R_3)-V_{ref}}{R_{10}}=V_{ref}\frac{R_2}{R_3{R}_{10}}$$
其中电阻应取0.1%的精密电阻。最后输出电流为0.996mA，即精度为0.4%，该电路相对于LM134的电路温度稳定性更好，精度更高。所以选择该电路作为电流源。

2.3放大电路的选择

由PT100分度表可知，0℃时PT100阻值为100R，100℃时PT100阻值为138.5R，所以在1mA的恒流源下，铂电阻两端的电压应在100mv到138.5mv之间波动，想要使得输出电压在0-5V之间，放大电路至少为5/138.5×1000=36.101倍。

出于高输入阻抗、低输出阻抗、高共模抑制比的优点考虑，我们在此选用的放大电路为仪表放大电路，由OP07所构成的仪表放大电路图如图四所示

图四 仪表放大电路

该电路的放大倍数由以下公式决定

$$U_{out}=-(V_{in1}-V_{in2})\left(\frac{2R_1}{R_{10}}+1\right)\frac{R_{13}}{R_{11}}$$

该电路同样对电阻的要求很高，电阻R1和R9 、R11和R12 、R13和R14必须严格匹配。但是在实际的运用中仅仅改变电阻R10，即可改变运放的放大倍数，虽然在仿真的时候效果与集成仪表放大器没有什么差别，但是在实际中会带来很大的影响。所以现在普遍使用集成的仪表放大器，其内部通过半导体工艺将电阻严格匹配，而通过控制电阻R10来控制电路增益。出于成本以及避免大量使用高精度电阻以及更高精度的考虑，在此选用集成仪表放大器AD623。其所构成的电路如图五所示

图五 AD623电路

其中电容全为用于平滑波形的去耦电容，所以精度无需太高，取5%的电容即可。而经查证AD623的数据手册，该电路的放大倍数由下列公式所决定

$$V_o=(V_{in1}-V_{in2})(1+\frac{100K\Omega }{R_G})$$

其中R_G采用可调电阻，以方便微调放大倍数。

由于在0-100℃时，该电路输出电压为3.61-5.00V，为了进一步将输出电压范围扩大到0-5V，可以利用减法电路取出铂电阻在0-100℃电压变化的范围。减法电路直接利用仪表放大器的差分输入即可实现，具体电路如图六所示

图六 整体电路

其中R8应该为100R0.1%的精密电阻，即其阻值等于0℃时的PT100的阻值，同时通过其的电流源为与PT100所使用电流源一致的电流源，且其所处的环境温度也应当一致，以提供一个PT100在0℃下的参考电压，但是由于PT100在0℃时的阻值未必精确为100R，所以实际出厂前应当使得PT100处于0℃的条件下，R8为可调电阻，调节其阻值使得运放输出值为0V，再将可调电阻阻值固定。

3.1 性能指标

整体的测量电路已经在图五中给出，下面给出各个元件的具体性能指标

3.1.1 恒流源参数

恒流源应当具有以下几个特性

• 温度稳定性：由于我们测温环境为0-100℃，所以电流源的输出不应当对温度敏感。而TL431具有极低的温度系数，温漂低。
• 负载调整率好：如果电流纹波过大，将导致出现读数误差，根据理论分析，由于输入电压在100-138.5mV之间变化，而测温范围0-100℃，测温精度±1摄氏度，所以环境温度每升高1℃，输出电压变化应为38.5/100=0.385mV，为了保证电流的波动不影响精度，考虑最极端的情况，100摄氏度时，，此时PT100的阻值应为138.5R。则电流纹波应当小于0.385/138.5=0.000278mA，即负载变化的过程中电流的变化应当小于0.000278mA，在实际的仿真中，电流源基本不变。

3.1.2 电阻参数

R2、R3、R4、R5、R6为0.1%精密电阻，阻值标注在图中。R8采用可调电阻，用于出厂调零。图中全为给定电阻，是为了仿真方便。

3.1.3 电容参数

电容全为去耦电容，采用5%精度的即可，容值已经在图中标注出。

3.2 误差分析

主要的误差来源于电流源误差、电阻精度误差、运放放大倍数误差以及PT100内部噪声，经过仿真，输出结果如下所示，所以，该测温系统完全满足要求。如果需要进一步提高精度，可以根据PT100分度表，利用牛顿插值，推测分度表以外的温度。但是在正负1摄氏度的精度要求下，直接将PT100的温度特性视为线性的即可。

温度/℃	电压/V	温度/℃	电压/V	温度/℃	电压/V	温度/℃	电压/V	温度/℃	电压/V	温度/℃	电压/V	温度/℃	电压/V	温度/℃	电压/V	温度/℃	电压/V	温度/℃	电压/V
0	0	11	0.56	21	1.06	31	1.56	41	2.06	51	2.56	61	3.06	71	3.56	81	4.05	91	4.55
1	0.05	12	0.61	22	1.11	32	1.61	42	2.11	52	2.61	62	3.11	72	3.61	82	4.1	92	4.6
2	0.11	13	0.66	23	1.16	33	1.66	43	2.16	53	2.66	63	3.16	73	3.66	83	4.15	93	4.65
3	0.16	14	0.71	24	1.21	34	1.71	44	2.21	54	2.71	64	3.21	74	3.71	84	4.2	94	4.7
4	0.21	15	0.76	25	1.26	35	1.76	45	2.26	55	2.76	65	3.26	75	3.76	85	4.25	95	4.75
5	0.26	16	0.81	26	1.31	36	1.81	46	2.31	56	2.81	66	3.31	76	3.81	86	4.3	96	4.8
6	0.31	17	0.86	27	1.36	37	1.86	47	2.36	57	2.86	67	3.36	77	3.86	87	4.35	97	4.85
7	0.36	18	0.91	28	1.41	38	1.91	48	2.41	58	2.91	68	3.41	78	3.91	88	4.4	98	4.9
8	0.41	19	0.96	29	1.46	39	1.96	49	2.46	59	2.96	69	3.46	79	3.96	89	4.45	99	4.95
9	0.46	20	1.01	30	1.51	40	2.01	50	2.51	60	3.01	70	3.51	80	4	90	4.5	100	4.99
10	0.51	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0

参考文献
[1]党向婷,肖军.基于恒流源激励的PT100测温电路在锅炉控制系统中的应用与研究[J].电子设计工程,2019,27(05):77-80+85.

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