Pt100熱電阻的測(cè)溫特性

摘要:針對(duì)傳統(tǒng)Pt100熱電阻測(cè)溫電路在0~100℃增益不可調(diào)、輸出數(shù)據(jù)易受環(huán)境影響、測(cè)溫范圍小的缺陷進(jìn)行實(shí)驗(yàn)改進(jìn),得到高增益,測(cè)溫范圍大,穩(wěn)定輸出的測(cè)溫電路。在傳統(tǒng)測(cè)溫電路上進(jìn)行調(diào)整改進(jìn),摒棄大增益放大電路,采用三運(yùn)放差分運(yùn)算放大電路,有效地?cái)U(kuò)大增益調(diào)節(jié)能力和熱電阻測(cè)溫范圍,其測(cè)量溫度可達(dá)到150℃以上,同時(shí)具備抑制溫溧，正值輸出能力,能穩(wěn)定地驗(yàn)證熱電阻溫度特性。
0引言
　　Pt100鉑熱電阻是一種精度高、線性度好的常用溫度傳感器,"通常結(jié)合測(cè)溫電路進(jìn)行高精度測(cè)量。它的使用溫度范圍為-200~850℃,在外界溫度變化時(shí)，電阻的阻值和溫度滿足線性關(guān)系,0C時(shí)的熱電阻標(biāo)準(zhǔn)阻值為100Ω,在0~100℃具有較好的線性關(guān)系,故測(cè)量任意兩個(gè)溫度下阻值的變化,便可獲得該熱電阻的溫度特性。目前熱電阻常用的接線方式有二線制、三線制、四線制,2在測(cè)量精度相對(duì)要求不高的場(chǎng)合下一般采用三線制,可以有效地降低連接導(dǎo)線電阻變化對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。但傳統(tǒng)Pt100熱電阻測(cè)溫電路,測(cè)溫范圍較窄,調(diào)節(jié)增益過(guò)程中運(yùn)放易出現(xiàn)非線性失真,測(cè)量結(jié)果易受外界因素影響,對(duì)傳統(tǒng)的測(cè)溫電路進(jìn)行了優(yōu)化研究,得到了比較滿意的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
1Pt100熱電阻結(jié)構(gòu)及測(cè)溫工作原理
　　Pt100是中低溫區(qū)常用的測(cè)溫元件,在遠(yuǎn)程測(cè)量過(guò)程中,由于Pt100阻值小、溫度系數(shù)低，其測(cè)溫精度易受導(dǎo)線電阻影響。B通常解決方法為Pt100熱電阻引出的3根導(dǎo)線,其截面積和長(zhǎng)度均相同(即r=r2=rz),測(cè)量鉑電阻的電路一般是不平衡電橋,鉑電阻Rr作為電橋的一個(gè)橋臂電阻,將導(dǎo)線一根(r)接到電橋的電源端，其余兩根(r2,r3)分別接到鉑電阻所在的橋臂及與其相鄰的橋臂上(圖1)。這樣兩橋臂都引入了相同阻值的引線電阻,電橋處于平衡狀態(tài),從而減少導(dǎo)線電阻所引起的測(cè)量誤差。.
　　Pt100熱電阻是利用鉑金屬隨溫度變化而其阻值變化進(jìn)行測(cè)溫的,憑借穩(wěn)定性好,性能可靠，在溫度傳感器中得到了廣泛的應(yīng)用。鉑熱電阻在0-850℃溫度范圍下，電阻Rr與溫度t的關(guān)系為:R,=R,(1+At+Bt²),其中R0為0℃電阻值,R0=100Ω,A=3.908x10^-3/℃,B=--5.775x10^-71℃。
　　在測(cè)量精度低(0~100℃)的實(shí)驗(yàn)中，可以將熱電阻阻值與溫度的關(guān)系簡(jiǎn)化為:Rr=R0(1+At),如表1所示，其中,Rr為取平均值后的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),此時(shí)電阻與溫度具有良好的線性關(guān)系。
 
2改進(jìn)前后Pt100熱電阻測(cè)溫實(shí)驗(yàn)電路
2.1改進(jìn)前Pt100熱電阻測(cè)溫實(shí)驗(yàn)電路
　　在25℃~100℃下,Pt100熱電阻隨溫度的變化呈現(xiàn)出較好的線性關(guān)系,實(shí)驗(yàn)中,Pt100熱電阻接入惠斯通電橋-.路,將熱電阻的受溫度變化的阻值轉(zhuǎn)化為電橋電壓的變化,再經(jīng)過(guò)四運(yùn)放放大電路,輸出端得到放大后的電壓,數(shù)據(jù)處理后,進(jìn)而驗(yàn)證熱電阻溫度特性,其電路圖如圖2所示。
 
 
　　在室溫環(huán)境下,為驗(yàn)證熱電阻在25℃~100℃的溫度隨熱電阻呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系,實(shí)驗(yàn)器件參數(shù)如圖2所示,避免滑動(dòng)變阻器人為調(diào)節(jié)的誤差,實(shí)驗(yàn)測(cè)量中Rw2接人最大阻值,此時(shí)放大增益最小，通過(guò)式(2),得此時(shí)理論放大增益為53.55。
2.2改進(jìn)后Pt100熱電阻測(cè)溫實(shí)驗(yàn)電路
　　改良后Pt100熱電阻測(cè)溫實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,仍然采用惠斯通電橋和差分放大電路的設(shè)計(jì)方法,將惠斯通電橋稍微改動(dòng),采用其他類型差分放大電路實(shí)現(xiàn)電橋電壓的放大處理,其設(shè)計(jì)流程如圖3所示。一般來(lái)說(shuō),單運(yùn)放差分電路存在兩個(gè)缺點(diǎn):電阻的選取和調(diào)整不方便;每個(gè)信號(hào)源的輸入電阻均較小,回差分運(yùn)算電路應(yīng)采用兩個(gè)或兩個(gè)以上的運(yùn)放構(gòu)成。為了實(shí)現(xiàn)電路能夠調(diào)節(jié)放人增益,同時(shí)維持運(yùn)放的線性狀態(tài),保證輸出電壓為正值,故最后一級(jí)采用同相比例運(yùn)算放大電路,如圖4所示。
 
　　Pt100熱電阻接法為三線制,不平衡電橋方面依舊采用惠斯通電橋,在傳統(tǒng)的電橋一臂改成電阻和同一數(shù)量級(jí)的滑動(dòng)變阻器進(jìn)行調(diào)零,與優(yōu)化前電橋原理一致。
　　實(shí)驗(yàn)電路的設(shè)計(jì)過(guò)程中,使得R3=R8,R5=R7,可以構(gòu)成高輸入阻抗的差分運(yùn)算電路,三級(jí)運(yùn)放放大電路的運(yùn)算表達(dá)式為:
 
　　優(yōu)化設(shè)計(jì)中,采用拆封不久的Pt100熱電阻,實(shí)驗(yàn)器件參數(shù)如圖2所示,避免滑動(dòng)變阻器人為調(diào)節(jié)的誤差,Rw2同樣接人最人阻值,此時(shí)放人增益最小,通過(guò)式(3)、(4)和(5),整個(gè)差分放人運(yùn)算電路增益可調(diào)范周為31~231,可滿足溫度變化電橋輸出電壓的放大。在系統(tǒng)調(diào)零后,優(yōu)化測(cè)溫電路放大增益選擇40,其理想最大測(cè)量溫度可以達(dá)到145℃,滿足25℃~100℃測(cè)溫要求。
3改進(jìn)前后Pt100熱電阻測(cè)溫實(shí)驗(yàn)的比較
3.1改進(jìn)前后Pt100熱電阻溫度檢測(cè)數(shù)據(jù)測(cè)量及處理
　　在不同溫度下通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)Pt100熱電阻測(cè)溫實(shí)驗(yàn)和改進(jìn)的Pt100熱電阻測(cè)溫實(shí)驗(yàn)多次測(cè)量其輸出.電壓并取平均值,得到輸出電壓與溫度的關(guān)系,其測(cè)量和理論數(shù)據(jù)如表2所示。
 
　　圖5(a)、(b)分別是傳統(tǒng)Pt100熱電阻測(cè)溫實(shí)驗(yàn)和改進(jìn)后Pt100熱電阻測(cè)溫實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)和理論的輸出電壓與溫度關(guān)系圖，如圖5所示,對(duì)傳統(tǒng)Pt100電路輸出電壓和理論輸出電壓取絕對(duì)值,“*”表示實(shí)際測(cè)量結(jié)果，“---”虛線為實(shí)際測(cè)量結(jié)果擬合直線,“一”實(shí)線為理論擬合直線。
 
　　傳統(tǒng)Pt100熱電阻測(cè)溫實(shí)驗(yàn)中,實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比理論輸出值,此時(shí)95℃和105℃的輸出數(shù)據(jù)有誤,需刪除95℃和105℃的輸出數(shù)據(jù),輸出靈敏度非線性誤差為140%,僅能說(shuō)明在25℃~85℃實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具有較好的線性特征
　　改進(jìn)的Pt100熱電阻測(cè)溫實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比理論輸出值擬合線良好，靈敏度0.156V/℃,非線性誤差為。結(jié)合理論擬合直線圖和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)非線性誤差,考慮到實(shí)驗(yàn)電路存在--定的損耗,可認(rèn)為該優(yōu)化測(cè)溫電路能正確地驗(yàn)證熱電阻溫度特性。
3.2改進(jìn)前后Pt100熱電阻溫度檢測(cè)的比較
在熱電阻測(cè)溫電路中,其靈敏度
 
　　A為測(cè)溫電路放大增益,△u1為熱電阻溫度引起的電橋輸出電壓變化量,△t為溫度變化量。若要增.大靈敏度,最好的措施是增大測(cè)溫電路增益A,但為保證電路正常工作,輸出電壓是不能超出Uom=±14V,測(cè)溫范圍必定受限制。靈敏度和測(cè)溫范圍為相互制約關(guān)系,增大靈敏度,則測(cè)溫范圍必然減小;增大測(cè)溫范圍,則靈敏度必然減小，所以在不同的測(cè)溫范圍中，電橋的差分電壓通過(guò)增益電路存在限定條件
 
　　結(jié)合測(cè)量初始熱電阻阻值R0及上限溫度的熱電阻阻值Rr計(jì)算即可得到測(cè)溫電路最優(yōu)增益。
　　通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比,進(jìn)一步證明傳統(tǒng)四運(yùn)放差分放大電路存在以下不足:
　　首先,集成運(yùn)放最大輸出電壓Uom=±14V,測(cè)量高于95℃熱電阻輸出電壓變化量，會(huì)導(dǎo)致運(yùn)放工作于非線性狀態(tài),影響測(cè)量結(jié)果;其次，傳統(tǒng)P100測(cè)溫電路增益調(diào)節(jié)范圍為53.55~+∞,選擇最小增益時(shí)輸出值出現(xiàn)失真,無(wú)法準(zhǔn)確驗(yàn)證25℃~100℃熱電阻溫度特性;最后,負(fù)值輸出電壓不利于數(shù)據(jù)記錄,輸出數(shù)據(jù)易受環(huán)境因素影響,四運(yùn)放構(gòu)成增益電路,元件利用率也較低。
改進(jìn)后的三運(yùn)放差分放大電路的優(yōu)勢(shì):
　　第一,保證放大電路有足夠大增益和運(yùn)放工作于線性狀態(tài)下，實(shí)現(xiàn)熱電阻在25℃~100℃下數(shù)據(jù)正常輸出;第二，充分使用運(yùn)放,可減小器件帶來(lái)的誤差,同時(shí)保證數(shù)據(jù)正值輸出;第三,使測(cè)溫范圍得到提高,采用三運(yùn)放實(shí)現(xiàn)更好的適應(yīng)溫度能力,改進(jìn)前最小增益A=53.55代入(7)式，查閱理論熱電阻分度表,可得極限測(cè)量溫度為93C,同理,可計(jì)算改進(jìn)后極限測(cè)量溫度為153℃;第四,測(cè)量的非線性誤差得到顯著降低,改進(jìn)后的測(cè)溫電路較改進(jìn)前非線性誤差減小了1/3,進(jìn)一步保證了測(cè)量數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。
4結(jié)語(yǔ)
　　使用了Pt100熱電阻三線制優(yōu)化測(cè)溫法,采用三運(yùn)放構(gòu)成差分放大電路,整體.上減少了實(shí)驗(yàn)元件所占據(jù)的體積和優(yōu)化了儀器操作方式。增益調(diào)節(jié)范圍為31~231,極限測(cè)溫能力可達(dá)到153℃,可有效地避免運(yùn)放工作于非線性狀態(tài)，同時(shí)非線性誤差較傳統(tǒng)測(cè)溫電路減小了1/3，且電壓輸出也很穩(wěn)定。但唯一不足的是要擴(kuò)大測(cè)溫范圍,需要犧牲測(cè)量精度為代價(jià)，原因在于:測(cè)溫范圍與靈敏度是相互制約關(guān)系,擴(kuò)大測(cè)溫范圍,需要通過(guò)縮減測(cè)量精度來(lái)表現(xiàn)受熱電阻制約的輸出電壓。實(shí)驗(yàn)中,主要測(cè)量25℃~100℃下,熱電阻的輸出特性,電阻與溫度變化關(guān)系中的非線性項(xiàng)對(duì)實(shí)驗(yàn)影響較小，可以無(wú)需非線性補(bǔ)償電路部分。