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RTD Pt100的一种单电源信号调理电路
接线图
2023年01月19日 22:42 383
admin
摘要：介绍一种由单电源CMOS四运算放大器MCP604实现电阻式温度传感器Pt100的激励和信号放大电路。其中，Pt100由MCP604中两个放大器形成的浮动电流源激励;采用3线制接入由运放组成的引线补偿电路中进行引线补偿：补偿后的电压信号由MCP604中另外两个放大器构成的放大电络进行采样放大。
1、引言
电阻式温度检测器（ResistanceTemperatureDecector、RTD）是一种电阻值随温度变化的传感器，所以可通过测量电阻值来完成温度测量。一般有3种方法测量电阻值：①欧姆表：②在恒电流激励下测量电阻两端电压降；③在恒电压激励下测量流过电阻的电流。温度传感器电路中常采用方法②来完成温度测量。电桥是最常用的方式，但其输出信号与桥臂电阻是非线性函数关系，需要后续线性化处理，如采用硬件电路，或利用查找表的方法通过软件来对结果进行修正。
本文提出丁一种非电桥的电蹄形式，不仅对传感器进行恒定电流激励，而且电路输出信号与传感器电阻值满足线性关系。该电路应用在“变电站运行监测系统”中，实现对三路温度信号的检测，运行效果良好。
下面以其中一路温度传感器的激励和采样调理电路来进行论述。
2、电阻式温度传感器Ptl00
2.1、铂温度传感器Ptl00概述
金属铂（Pt）的电阻值随温度而变化，并具有良好的重现性和稳定性。利用铂的这种物理特性制成的传感器称为铂电阻温度传感器，如Ptl00、Ptl000。它们不仅被广泛应用于工业测温，而且被制成各种标准温度计（涵盖国家和世界基准温度）供计量和校准使用。Pt100在-200℃～+850℃内比热电偶更精确、线性度更睦，两端产生的压降远大于热电偶的输出，且不需要冷端补偿。此外，Ptl00还具有抗振动、防腐蚀、良好的互换性、重现性和稳定性等优点，常应用于低中温测量。
Ptl00的电阻值与温度的函数关系
Pt100在实际使用时，有以下应用要点：
（1）选型应根据实际使用温度测量范围、精度、尺寸及安装固定方式口。
（2）允许流过的电流应小于5mA。在进行电流源激励Pt100（特别是采用电桥的电路形式）时，应注意满足该条件，否则会造成Pt100自热而影响测量准确度。一般激励电流采用lmA，甚至更小；
（3）电路接入方式一般有两线制、三线制和四线制，引出线示意图如图1所示。二线制时传感器电阻值与连接导线电阻值共同构成总的电阻值，所以导线电阻带来的附加误差会使实际测量值偏高，一般适用于低测量精度且引线较短的场合;三线制要求三根引线截面积和长度均相同，引线（正负线）电阻产生的影响才能相互抵消，，工业中一般都采用三线制;四线制用在测量精度高且变化很小的场合，因为在这些场合下引线电阻可能引入明显误差，这时可利用其中的两条引线提供恒定电流，另两条引线提供未知电阻的电压降，，四线制也是常用方式。
温度传感器在测量过程中主要误差有传感器对分度表的误差;绝缘不良引起的误差;线路电阻引起的误差;测量仪表的误差以及传热误差、动态相应误差、千扰误差等。其中有些误差只有在一定条件下才出现，并且可通过一定措施来减小或消除。本文除了采用三线制的接入方式来减小引线电阻的影响外，还采用了二阶有源滤波放大电路来减小外部干扰所带来的误差。
3、单电源温度测量的完整电路
由MCP604构成单电源温度检测的完整电路如图2，电路由精密浮动电流源、引线补偿和二阶低通有源滤波放大电路三部分组成。
图2中，精密浮动电流源由基准电压VREF、MCP604A和MCP604B等构成，形成恒定电流对Ptl00进行激励。假设Ptl00的电流为I，两端电压降为VX，MCP604A同相端为vl。经过MCP604A同相放大后则为V2，，根据模拟电路的知识得
I=VREF/IR3（3）
由此可知，激励Ptl00的电流I为VREF与R3的比值。因此电流I为一定值。注意，在实际制作电路中，应保证电流I《5mA。代入图2中的参数，计算得到该恒定电流约为1.004mA，近似为1mA。
3.2、引线补偿
在实际应用中，测试系统置于室内，而传感器Ptl00置于室外的被测对象中，导致接入电路}均引线较氏，影响测量准确度除了采用低输入失调电压和低偏置电流的精密运算放大器外，还应尽量减小引线电阻所引入的误差。如图2中虚线框所示，利用MCP604C构成引线补偿电路，Ptl00采用3线制与图中的A、B和O点相连接。
如图3所示，假设Ptl00的三根接入引线电阻分别为Rwl、Rw2和Rw3，浮动电流源激励Ptl00的电流为I。
1、引言
电阻式温度检测器（ResistanceTemperatureDecector、RTD）是一种电阻值随温度变化的传感器，所以可通过测量电阻值来完成温度测量。一般有3种方法测量电阻值：①欧姆表：②在恒电流激励下测量电阻两端电压降；③在恒电压激励下测量流过电阻的电流。温度传感器电路中常采用方法②来完成温度测量。电桥是最常用的方式，但其输出信号与桥臂电阻是非线性函数关系，需要后续线性化处理，如采用硬件电路，或利用查找表的方法通过软件来对结果进行修正。
本文提出丁一种非电桥的电蹄形式，不仅对传感器进行恒定电流激励，而且电路输出信号与传感器电阻值满足线性关系。该电路应用在“变电站运行监测系统”中，实现对三路温度信号的检测，运行效果良好。
下面以其中一路温度传感器的激励和采样调理电路来进行论述。
2、电阻式温度传感器Ptl00
2.1、铂温度传感器Ptl00概述
金属铂（Pt）的电阻值随温度而变化，并具有良好的重现性和稳定性。利用铂的这种物理特性制成的传感器称为铂电阻温度传感器，如Ptl00、Ptl000。它们不仅被广泛应用于工业测温，而且被制成各种标准温度计（涵盖国家和世界基准温度）供计量和校准使用。Pt100在-200℃～+850℃内比热电偶更精确、线性度更睦，两端产生的压降远大于热电偶的输出，且不需要冷端补偿。此外，Ptl00还具有抗振动、防腐蚀、良好的互换性、重现性和稳定性等优点，常应用于低中温测量。
Ptl00的电阻值与温度的函数关系
Pt100在实际使用时，有以下应用要点：
（1）选型应根据实际使用温度测量范围、精度、尺寸及安装固定方式口。
（2）允许流过的电流应小于5mA。在进行电流源激励Pt100（特别是采用电桥的电路形式）时，应注意满足该条件，否则会造成Pt100自热而影响测量准确度。一般激励电流采用lmA，甚至更小；
（3）电路接入方式一般有两线制、三线制和四线制，引出线示意图如图1所示。二线制时传感器电阻值与连接导线电阻值共同构成总的电阻值，所以导线电阻带来的附加误差会使实际测量值偏高，一般适用于低测量精度且引线较短的场合;三线制要求三根引线截面积和长度均相同，引线（正负线）电阻产生的影响才能相互抵消，，工业中一般都采用三线制;四线制用在测量精度高且变化很小的场合，因为在这些场合下引线电阻可能引入明显误差，这时可利用其中的两条引线提供恒定电流，另两条引线提供未知电阻的电压降，，四线制也是常用方式。
温度传感器在测量过程中主要误差有传感器对分度表的误差;绝缘不良引起的误差;线路电阻引起的误差;测量仪表的误差以及传热误差、动态相应误差、千扰误差等。其中有些误差只有在一定条件下才出现，并且可通过一定措施来减小或消除。本文除了采用三线制的接入方式来减小引线电阻的影响外，还采用了二阶有源滤波放大电路来减小外部干扰所带来的误差。
3、单电源温度测量的完整电路
由MCP604构成单电源温度检测的完整电路如图2，电路由精密浮动电流源、引线补偿和二阶低通有源滤波放大电路三部分组成。
图2中，精密浮动电流源由基准电压VREF、MCP604A和MCP604B等构成，形成恒定电流对Ptl00进行激励。假设Ptl00的电流为I，两端电压降为VX，MCP604A同相端为vl。经过MCP604A同相放大后则为V2，，根据模拟电路的知识得
I=VREF/IR3（3）
由此可知，激励Ptl00的电流I为VREF与R3的比值。因此电流I为一定值。注意，在实际制作电路中，应保证电流I《5mA。代入图2中的参数，计算得到该恒定电流约为1.004mA，近似为1mA。
3.2、引线补偿
在实际应用中，测试系统置于室内，而传感器Ptl00置于室外的被测对象中，导致接入电路}均引线较氏，影响测量准确度除了采用低输入失调电压和低偏置电流的精密运算放大器外，还应尽量减小引线电阻所引入的误差。如图2中虚线框所示，利用MCP604C构成引线补偿电路，Ptl00采用3线制与图中的A、B和O点相连接。
如图3所示，假设Ptl00的三根接入引线电阻分别为Rwl、Rw2和Rw3，浮动电流源激励Ptl00的电流为I。
RTD Pt100的一种单电源信号调理电路
3.3、二阶低通有源滤波放大
由于被测温度是缓慢变化的，从而Ptl00的输出信号也是缓慢变化的。采用如图4所示的二阶低通有源滤波放大电路来调理信号，能有效地滤除一些低频千扰，使得输出信号更平滑。根据图中参数，可计算出截止频率fo=10Hz。
RTD Pt100的一种单电源信号调理电路
4、结论
本电路主要用于“变电站运行监测系统”的温度检测采样。系统要求的温度测量范围为O℃一20℃、精度为土0.5℃，且监测采样三路温度信号。采用MCP604单电源运算放大器后，每路Ptl00的激励和信号采样放大都由一片MCP604完成，且后续处理中无需线性补偿就能满足设计要求。与先前的产品相比，新产品的温度采样调理电路明显地简化，性价比也大大地提高了。
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