三線制PT100熱電阻測溫電路的設計

摘要:本文詳細闡述了三線制PT100熱電阻溫度測量原理，并設計了PT100 三線制溫度測量電路，在硬件電路上消除了導線對測溫的影響,詳細分析了電路原理并給出計算過程，電路簡潔實用、測量精度較高。
工業(yè)中經(jīng)常要對溫度信號進行測量，而PT100測溫范圍在-200~850℃之間，并且具有較好線性度，測溫正確,因此在供熱、電力以及石油化工等領域被廣泛的應用。
1系統(tǒng)原理
　　熱電阻是根據(jù)電阻的熱效應阻值隨溫度的變化而變化，因此,可以根據(jù)其阻值測量溫度,常用的熱電阻有P100、PT50以及Cu50等,其中以P100應用最為廣泛。
在實際中PT100傳感器和現(xiàn)場儀表之間連線會較長,接線的導線電阻將引入測量誤差，因此在工業(yè)中常采用三線制消除導線引人的誤差。三線制測量原理如圖1所示。

　　測量時導線電阻為rLl、rL2、rL3,三條導線采用同規(guī)格同長度,因此;RT為PT100阻值,測量端U1點U2點的測量電路采用高阻抗輸人電路。為測量RT的阻值,在U1端加入恒定電流I。則電壓U1為:

　　根據(jù)以上對三線制原理的分析,設計熱電阻三線制測量電路如圖2所示,電路由恒流源電路和差動放大電路兩部分組成。
　　其中恒流源電路主要出電壓基準Ul、運算放大器U2與二極管Q1.Q2以及外圍阻容元件組成。恒流源電路由集成電壓基準芯片LM385-2.5提供參考電壓Ud=2.5V,因此運放的同相端③腳電壓為5V-Ud;根據(jù)運放虛短特性可以得出U2反相端②腳的電壓也為5V-Ud。即二極管Q1的發(fā)射極電壓為5V-Ud,而電流采樣電阻R1兩端的電壓- -端為5V,另-端接在了Q1的發(fā)射極,所以加在RI兩端的電壓實際為:5V-(5V-Ud)=Ld。所以流過R1的電流即為。根據(jù)運放虛斷特性,R1與U2反相端②腳之問是沒有電流流過的，因此電阻R1上的電流全部流人了三極管Q1的發(fā)射極, 而復合三極管Q1.Q2的I_C1= I_E1- I_B2,其中I_C1=β1β2IB2,由于Q1.Q2選用9015的β值般均在100以上，因此I_C1>10000xI _B2,因此可以近似認為I _C1= I_E1,誤差為0.01%以下，可以忽略,所以三極管Q1集電極電流就是發(fā)射極電流,并且在運算過程中消除了電源電壓+5V的影響,誤差僅與電阻R1與電壓基準U2有關，因此R1電阻要選擇溫漂較小的金屬膜電阻。
差動放大電路主要由運算放大器U3以及電阻R4~R9組
成,其輸人輸出傳遞函數(shù)如下:

　　經(jīng)運放U3差動放大后的信號經(jīng)R10,C3進行低通濾波后送的AD轉換器進行數(shù)字化測量即可，根據(jù)測出的RT值查找PT100分度表并經(jīng)插值運算郎可得到溫度值。
　　為了提高測量精度,電路中運算放大器選用常用的0P07低噪聲低溫漂精密運算放大器。它的輸人失調(diào)電壓小于25μV ,輸人偏置電流低小于±2nA，失調(diào)電壓漂移僅有0.5μV/C。

3結論
　　此PT100三線制溫度測量電路已經(jīng)應用與在多個測溫儀表以及RTU當中，實踐表明，電路簡單，調(diào)試方便、測量精度較高,電路可靠,到達最初設計要求。