基于铂电阻测温电路的设计

基于铂电阻测温电路的设计## 标题
一、概述
铂电阻温度传感器是利用其电阻和温度成一定函数关系而制成的温度传感器,由于其测量准确度高、测量范围大、复现性和稳定性好等,被广泛用于中温(-200℃～650℃)范围的温度测量中。
PT100是一种广泛应用的测温元件，在-50~600℃℃范围内具有其他任何温度传感器无可比拟的优势，包括高精度、稳定性好、抗干扰能力强等。由于铂电阻的电阻值与温度成非线性关系，所以需要进行非线性校正。校正分为模拟电路校正和微处理器数字化校正，模拟校正有很多现成的电路，其精度不高且易受温漂等干扰因素影响。
常用的Pt电阻接法有三线制和两线制，其中三线制接法的优点是将PT100的两侧相等的的导线长度分别加在两侧的桥臂上，使得导线电阻得以消除。常用的采样电路有两种：一为桥式测温电路，一为恒流源式测温电路。
二、方案汇总
（1）、桥式测温电路
测温原理：电路采用TL431和电位器VR1调节产生4.096V的参考电源；采用R1、R2、VR2、Pt100构成测量电桥（其中R1＝R2，VR2为560Ω精密电阻），当Pt100的电阻值和VR2的电阻值不相等时，电桥输出一个mV级的压差信号，这个压差信号经过运放op07放大后输出期望大小的电压信号，该信号可直接连AD转换芯片。差动放大电路中R3＝R4、 R5＝R6、放大倍数＝R5/R3，运放采用单一5V供电。

该方案特点：
优点：
采用op07低 VOS、低VOS 漂移、低噪声、宽输入电压范围、低功耗轨到轨型运放，温度采样准确度高、可方便调节放大倍数。
缺点：电路结构复杂、电桥容易受温湿度、振动、而且电桥的正电源必须接稳定的参考基准，否则会影响计算得出的温度的准确性。若想改变电桥输出的压差大小，需要同幅度调整R1和R2的电阻值，实用性不强。
（2）恒流源式测温电路
测温原理：通过运放U1A将基准电压4.096V转换为恒流源，电流流过Pt100时在其上产生压降，再通过运放U1将该微弱压降信号放大（图中放大倍数为10），即输出期望的电压信号，该信号可直接连AD转换芯片。
根据虚地概念“工作于线性范围内的理想运放的两个输入端同电位”，运放U1A的“+”端和“-”端电位V+＝V-＝4.096V；假设运放U1A的输出脚1对地电压为Vo，根据虚断概念，（0-V-）/R1+（Vo-V-）/RPt100＝0，因此电阻Pt100上的压降VPt100＝Vo-V-＝V-*RPt100/R1，因V-和R1均不变，因此图3虚线框内的电路等效为一个恒流源流过一个Pt100电阻，电流大小为V- /R1，Pt100上的压降仅和其自身变化的电阻值有关。

该电路特点：
恒流源式测温电路输出的温敏元件两端的绝对电压，通常有一个较大的基本电压，不能突出变化的部分，电路比较简单；
图中用了两个运放，整个电路功耗增加；
采用恒流供电，可以取得线性的温度-电压值。
下面以恒流源式为例做仿真测试。
三、电路仿真测试
连续调节RTD-PT100观察波形变化：
连续调节铂电阻时可观察到输出电压波形连续变化，可看出电路的可行性。

-200°C下电路测输出电压：

由仿真可知，-200°C时电路输出电压约为3.397V。
300°C下：

由仿真可知，300°C时电路输出电压约为3.834V
四、铂电阻参数说明
PT100温度传感器是一种以铂(Pt)做成的电阻式温度传感器，属于正电阻系数,
其电阻阻值与温度的关系可以近似用下式表示：
在0～650℃范围内：
Rt =R0 (1+At+Bt2)
在-200～0℃范围内：
Rt =R0 (1+At+Bt2+C(t-100)t3)
式中A、B、C 为常数，
A=3.96847×10-3；
B=-5.847×10-7；
C=-4.22×10-12；
由下表提供的铂电阻分度特性表，即可得出各参数。
WZP型铂热电阻(Pt100)分度特性表

五、补充
由于桥式测温电路的复杂性和电桥容易受影响等缺点，未采用此方案，但是恒流源式测温电路有因为用到两个运放，整体增加了功耗，所以由此得到一个疑问：有没有电路结构简单，功耗又低，各参数又可方便调节的电路呢？
所以，就又得到一个铂电阻测温电路。如下图所示：

原理简述：
该电路为一个RTD-PT100与560（精密电阻）电阻并联接入差动放大器中，通过铂电阻受到外界温度的作用，导致电阻的阻值发生变化，从而引起同相和反相出现压差，通过运放输出这个压差信号，再经过AD转换后经处理计算即可得出当前温度值。
1、（仿真测试）
连续调节RTD-PT100时，输出波形变化：

连续调节RTD-PT100时可观察到输出波形发生变化，而且相比于恒流源式电压的单位变化电阻内电压发生的变化更明显。这也表示这，该电路只要AD转换分辨率够就可以测量更小的温度值。
300°C：

可以从仿真结果看出，在300°C时输出电压值约为2.761V。
-200°C：

可以从仿真结果看出，在-200°C时输出电压值约为0.346V。都在AD转换正常输入电压。
综上由电路参数、铂电阻各参数公式和铂电阻分度特性表，理论上可以实现-200°C到300°C范围内的测量。具体实际情况需要根据实际电路验证和改进。谢谢！

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