PT100四线制测温电路.docx

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PT100四线制测温电路

『电阻式温度检测器』（RTD,ResistanceTemperatureDetector）－一种物质材料作成的电阻,它会随温度的上升而改变电阻值,如果它随温度的上升而电阻值也跟著上升就称为正电阻係数,如果它随温度的上升而电阻值反而下降就称为负电阻系数。

大部分电阻式温度检测器是以金属作成的,其中以白金（Pt）作成的电阻式温度检测器,最为稳定－耐酸碱、不会变质、相当线性...,最受工业界采用。

PT100温度感测器是一种以白金（Pt）作成的电阻式温度检测器,属于正电阻系数,其电阻和温度变化的关系式如下：

R=Ro（1+αT）　其中α=0.00392,Ro为100Ω（在0℃的电阻值）,T为摄氏温度

因此白金作成的电阻式温度检测器,又称为PT100。

1：

Vo=2.55mA×100（1+0.00392T）=0.255+T/1000。

2：

量测Vo时,不可分出任何电流,否则量测值会不準。

电路分析

由于一般电源供应较多零件之后,电源是带杂讯的,因此我们使用齐纳二极体作为稳压零件,由于7.2V齐纳二极体的作用,使得1K电阻和5K可变电阻之电压和为6.5V,靠5K可变电阻的调整可决定电晶体的射（集极）极电流,而我们须将集极电流调为2.55mA,使得量测电压V如箭头所示为0.255+T/1000。

其后的非反向放大器,输入电阻几乎无限大,同时又放大10倍,使得运算放大器输出为2.55+T/100。

6V齐纳二极体的作用如7.2V齐纳二极体的作用,我们利用它调出2.55V,因此电压追随器的输出电压V1亦为2.55V。

其后差动放大器之输出为Vo=10（V2-V1）=10（2.55+T/100-2.55）=T/10,如果现在室温为25℃,则输出电压为2.5V。

相关文章:

铂电阻测温电路的线性化设计方法

摘要：

介绍一种基于A/D转换原理的铂电阻测温的非线性校正方法，分析了铂电阻线性测温的原理，并给出了A/D转换器7135与单片机89C51接口电路及试验数据。

关键词：

铂电阻，测温电路设计，模拟-数字转换非线性校正，数据采集

一、引言

铂电阻温度传感器，因其测量范围大，复现性好，稳定性强等特点而被广泛使用。

在精密测量系统中，铂电阻测温系统电路结构图如图1所示：

铂电阻信号通常通过桥式电路转换为电压信号，再经过放大及A/D转换后送微处理器进行处理。

为了能对铂电阻测温的非线性进行校正，作者利用双积分A/D转换原理，设计了一种高精度的铂电阻测温非线性校正方案。

实践证明，该方法不仅性能稳定，结构简单，而且在0～200℃范围内准确度可达到0.15%FS±4字。

二、非线性校正原理

1、非线性A/D转换原理

因为铂电阻经桥路检测后，其输出电压UM与被测温度q之间具有函数关系：

 式中：

A，B为常系数。

如果能构造成一个函数电路，使其具有与上式相同的函数形式：

同时使UM=UN，则容易得出q=t（这里，“q=t”仅有数学意义，实际上它们的量纲是不一样的）。

这样，在UM=UN的前提下，温度q的测量问题就转化为对时间t的测量了。

以上是本文阐述的以变量变换的形式实现传感器非线性校正的设计思想。

这里t的量纲为时间，其测量过程是通过双积分A/D转换实现的。

双斜率积分转换表达为：

（1）

式中：

Uin—A/D转换时模拟输入电压，

   T1—A/D转换过程中正向积分时间，

   T2—A/D转换过程中反向积分时间，

   Uref—A/D转换时参考输入电压。

当Uref为定值时，Uin与T2具有线性关系，因此这种情况下可以认为A/D输出结果为：

T2=T1Uin/Uref.

假定Uref（t）为时间t的函数：

Uref（t）=M+Nt

（2）

其中：

M，N为待定常系数。

A/D转换后的输出结果若能完全补偿铂电阻温度非线性，则有：

Uin=aq+Bq2 （3）

故将式

（2）和式（3）代入式

（1），

假设：

AT1=M，BT1=N/2,

则有：

T2与q在数值上大小相等，即T2=q，可见实现了铂电阻的温度与数字量线性转换。

可以看出，在A/D转换过程中，模拟电压输入与数字量输出之间不是线性关系，其函数关系刚好与Rq—q关系相反，当其特性实现了相互完全补偿时，就能获得线性q/T2转换。

显然，利用双积分A/D转换实现非线性校正的关键是应能满足式（3）所表征的函数关系。

本方案采用RC回路极其简单地达到了该目的。

2.高精度A/D转换器ICL7135

铂电阻测温电路线性化设计的实现采用了4位半双积分型A/D转换器ICL7135。

ICL7135每一个转换周期分为三个阶段：

自动调零阶段、被测电压积分阶段、对基准电压Uref进行反积分阶段。

下面结合铂电阻温度测量分析ICL7135的工作过程：

（1）正向积分阶段

ICL7135与89C52接口电路原理图如图2所示。

在此阶段，ICL7135对Uin进行定时积分，固定时间T1=10000T0（T0为时钟周期）。

积分器的输出电压为：

       （4）

同时，在此阶段基准电容C对电阻R放电。

外接电阻R正是为了对铂电阻温度特性的二次非线性项进行校正而设置的。

此阶段完成时，C两端电压为：

 （5）

式中，UW为t=0时电容C两端电压值。

将上式在t=T1处按马克劳林公式展开,若选取适当参数，使,则上式可简化为：

    （6）

（2）反向积分阶段：

在此阶段，基准电容C两端电压又被内部积分电路进行反向积分，在整个T2阶段UC（t）可认为是线性的，T2结束时积分器输出又回到零位，此时有：

     （7）

由式（4）、式（6）、式（7）整理可得：

将式（3）代入上式，得：

令等式两边常量对应相等，则有：

q=T2。

在T2时间内,对A/D转换器进行时钟计数，并以数字量形式输出，从而定量地将被测温度值反映出来，实现电路的数字化测量。

三、ICL7135与单片机89C52接口的新方法

以往使用7135是利用它具有多重动态扫描的BCD码输出来读取A/D转换结果，这样既费时、又占用较多口线。

在测控仪表中，尽量少占用微处理器I/O口线，以最少原器件、完成尽可能多的任务是十分重要的。

这里介绍的ICL7135与单片机接口的简易方法，是利用7135的“BUSY”端，只需占用单片机89C51的一个I/O口和内部的一个定时器，就可以在十几微秒的中断服务程序中把ICL7135的A/D转换值送入单片机内。

实践证明，该方法具有实际应用价值。

在图2中,若89C51的时钟采用6MHz晶振，在不执行movx指令的情况下，ALE是稳定的1MHz频率，将ALE经过二分频可得到500kHz的频率供给ICL7135时钟输入端。

T0规定为定时方式1，满足ICL7135的19999满量程要求。

ICL7135在A/D转换阶段,状态输出引脚BUSY为高电平，指明A/D转换器正处在信号积分和反积分阶段，这个高电平一直持续到消除积分阶段结束。

在定时器方式寄存器TMOD中，置T0的门控位GATE为1，利用BUSY作为计数器门控信号,T0的计数将受BUSY控制。

控制计数器只能在BUSY为高电平时计数，那么输入信号：

A/D转换值=BUSY高电平期间内计数器计数值-10001

图2中用ICL7135的BUSY端接89C52的外部中断，POL为信号极性输出端，接89C52的P1.7，高、低电平表示被测信号为正、负极性。

四、实验结果及误差分析

在以铂电阻测温电路的线性化设计的方案中，误差来源一方面来自于基准电容放电过程的非线性引起的误差：

当RC取值满足时，此项误差折合成温度值可小于0.03℃。

另一方面误差来自于A/D转换准确度。

当选用4位半A/D转换器ICL7135时，其准确度为±0.05%，折合最大温度误差为0.10℃，两项误差相对独立，电路总体测温误差为±0.104℃。

本电路经组装后，进行了实际性能测试，实验数据见表1。

从测试结果看，样机最大误差为-0.18℃，与分析结论基本相近。

PT100四线制测温电路

图片：

PT100四线制测温电路

Pt100欧姆

　　欧姆

　　摄氏度摄氏度

　　-10060.25260197.69

　　-9064.30270201.29

　　-8068.33280204.88

　　-7072.33290208.45

　　-6076.33300212.02

　　-5080.31310215.57

　　-4084.27320219.12

　　-3088.22330222.65

　　-2092.16340226.17

　　-1096.09350229.67

　　00100.00360233.17

　　10103.90370236.65

　　20107.79380240.13

　　30111.67390243.59

　　40115.54400247.04

　　50119.40410250.48

　　60123.24420253.90

　　70127.07430257.32

　　8013.89440260.72

　　90134.70450264.11

　　100138.50460267.49

　　110142.29470270.36

　　120146.06480274.22

　　130149.82490277.56

　　140153.58500280.90

　　150157.31510284.22

　　160161.04520287.53

　　170164.76530290.83

　　180168.46540294.11

　　190172.16550297.39

　　200175.84560300.65

　　210179.81570303.91

　　220183.17580307.15

　　230186.32590310.38

　　240190.45600313.59

　　250194.07

　　工业铜热电阻温度与电阻值对照表Cu100

　　Cu100

　　欧姆

　　摄氏度欧姆

　　摄氏度

　　-5078.4960125.68

　　-40-82.8070129.96

　　-3087.1080134.24

　　-2091.4090138.52

　　-1095.70100142.80

　　0100.00110147.08

　　10104.28120151.36

　　20108.56130155.66

　　30112.84140159.96

　　40117.12150164.27

　　50121.40

　　新旧分度号对照表

　　种类新分度号旧分度号

　　镍鉻――考铜EA-2

　　镍鉻――康铜E

　　镍鉻------镍硅KEU－2

　　铜――康铜TCK

　　铁――康铜JTK

　　铑13％－铂R

　　铑10％－铂SLB-3

　　铑30－铂铑6BLL-2

　　幅射感温器F1WFTI202T1

　　F2WFT-202T2

　　铜热电阻Cu50（R=50）G（R=53）

　　Cu100（R=100）

　　铂热电阻Pt100（R=100）BA2（R=100）

　　Pt10（R=10）

　　BA1（R=46）

   不可能，要想要公式，只