热电阻PT100测温电路

[智能硬件]

目录：

一、概述

二、桥式测温电路

三、恒流源式测温电路

四、PT100温度传感器分度表

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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。

图1.1.1 PT100热电阻事物图

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，数字化校正则需要在微处理系统中使用，将Pt电阻的电阻值和温度对应起来后存入EEPROM中，根据电路中实测的AD值以查表方式计算相应温度值。
       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，二为恒流源式测温电路。其中图2.1.1为三线制桥式测温电路，图2.1.2为两线制桥式测温电路，图3.1.1为恒流源式测温电路。下面分别对桥式电路和恒流源式电路的原理在设计过程中应注意事项进行说明。这两个电路本人均有采用及试验，证明可行。

图1.1.2 二线制、三线制、四线制简图

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二、桥式测温电路
桥式测温的典型应用电路如图2.1.1和图2.1.2所示（均为桥式电路，分别画出来是为了说明两线制接法和三线制接法的区别）。
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100Ω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LM324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。

图2.1.1 三线式接法桥式测温电路

图2.1.2 两线式接法桥式测温电路

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设计及调试注意点：
⑴同幅度调整R1和R2的电阻值可以改变电桥输出的压差大小；
⑵改变R5/R3的比值即可改变电压信号的放大倍数，以便满足设计者对温度范围的要求；
⑶放大电路必须接成负反馈方式，否则放大电路不能正常工作；
⑷VR2也可为电位器，调节电位器阻值大小可以改变温度的零点设定，例如Pt100的零点温度为0℃，即0℃时电阻为100Ω，当电位器阻值调至109.885Ω时，温度的零点就被设定在了25℃。测量电位器的阻值时须在没有接入电路时调节，这是因为接入电路后测量的电阻值发生了改变。
⑸理论上，运放输出的电压为输入压差信号×放大倍数，但实际在电路工作时测量输出电压与输入压差信号并非这样的关系，压差信号比理论值小很多，实际输出信号为4.096*(RPt100/(R1+RPt100)-RVR2/(R1+RVR2))  ①式中电阻值以电路工作时量取的为准。
⑹电桥的正电源必须接稳定的参考基准，因为如果直接VCC的话，当电网电压波动造成VCC发生波动时，运放输出的信号也会发生改变，此时再到以VCC未发生波动时建立的“温度-电阻表”中去查表求值时就不准确了，这可以根据式①进行计算得知。

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三、恒流源式测温电路
恒流源式测温的典型应用电路如图3.1.1所示。
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U1B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3.1.1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。

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设计及调试注意点：
⑴电压基准源可以采用TL431按图2.1.1的电路产生。
⑵等效恒流源输出的电流不能太大，以不超过1mA为准，以免电流大使得Pt100电阻自身发热造成测量温度不准确。试验证明，电流大于1.5mA将会有较明显的影响。
⑶运放采用单一5V供电，如果测量的温度波动比较大，将运放的供电改为±15V双电源供电会有较大改善。
⑷电阻R2、R3的电阻值取得足够大，以增大运放的U1B的输入阻抗。
⑸当然做恒流源还有很多方法，TL431的Datasheet上就有其作为恒流源的详细介绍。

图3.1.1 恒流源式测温电路

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四、PT100温度传感器分度表

PT100/1000是常用的温度传感器，如果设计得当可以达到比较高的精度。PT100/1000的电阻值常用以下公式来计算：
    RT=R0(1+AT+BT2+C(T-100)T3)      (T<0°C)
    RT=R0(1+AT+BT2)                          (T>0°C)
这里RT为温度T下的电阻值，R0为0°C时的电阻值，为100或1000Ω；A、B、C为常数，这个常数不仅与Pt(铂)金属有关，而且与制造工艺也有一定关系，比如导线或薄膜，需查相应的产品手册。这里以Vishay的薄膜型为例：
    A=3.9083×10-3°C-1           B=-5.775×10-7°C-2           C=-4.183×10-12°C-4

°C	0	-1	-2	-3	-4	-5	-6	-7	-8	-9
-20	92.16
-10	96.086	95.694	95.302	94.909	94.517	94.124	93.732	93.339	92.946	92.553
0	100	99.609	99.218	98.827	98.436	98.044	97.653	97.261	96.87	96.478
°C	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
0	100	100.391	100.781	101.172	101.562	101.953	102.343	102.733	103.123	103.513
10	103.903	104.292	104.682	105.071	105.46	105.849	106.238	106.627	107.016	107.405
20	107.793	108.182	108.57	108.959	109.347	109.735	110.123	110.51	110.898	111.286
30	111.673	112.06	112.447	112.835	113.221	113.608	113.995	114.382	114.768	115.155
40	115.541	115.927	116.313	116.699	117.085	117.47	117.856	118.241	118.627	119.012
50	119.397	119.782	120.167	120.552	120.936	121.321	121.705	122.09	122.474	122.858
60	123.242	123.626	124.009	124.393	124.777	125.16	125.543	125.926	126.309	126.692
70	127.075	127.458	127.84	128.223	128.605	128.987	129.37	129.752	130.133	130.515
80	130.897	131.278	131.66	132.041	132.422	132.803	133.184	133.565	133.946	134.326
90	134.707	135.087	135.468	135.848	136.228	136.608	136.987	137.367	137.747	138.126
100	138.505	138.885	139.264	139.643	140.022	140.4	140.779	141.158	141.536	141.914
110	142.293	142.671	143.049	143.426	143.804	144.182	144.559	144.937	145.314	145.691
120	146.068	146.445	146.822	147.198	147.575	147.951	148.328	148.704	149.08	149.456
130	149.832	150.208	150.583	150.959	151.334	151.71	152.085	152.46	152.835	153.21
140	153.584	153.959	154.333	154.708	155.082	155.456	155.83	156.204	156.578	156.952
150	157.325

http://www.dwenzhao.cn/cal/php/pt1000.php

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