簡(jiǎn)介： 熱電阻(RTD)是使用細(xì)金屬絲纏繞在支架上，而構(gòu)成的電阻阻值隨溫度變化的具有較高精度的溫度傳感器，工作溫度范圍為-200℃~+850℃。常見的RTD材料有鎳、銅、鉑等，其中又以100Ω(0℃時(shí))鉑制熱電阻最為常見。由于鉑金屬的物理、化學(xué)特性都非常穩(wěn)定，鉑電阻以精度高、長(zhǎng)期穩(wěn)定性好、重復(fù)性好、響應(yīng)快速等特點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用。 下面公式描述了Pt100的溫度特性，從公式中可以看到Pt100的溫度與電阻特性顯然是非線性的，但與熱電偶、熱敏電阻相比，Pt100的線性度經(jīng)好很多，因此非線性校正也比 容易。早期的非線性校正多采用復(fù)雜的模擬電路實(shí)現(xiàn)，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，目前在實(shí)際應(yīng)用中，一般使用單片機(jī)進(jìn)行查表結(jié)合插值的方法對(duì)Pt100進(jìn)行非線性校正。 由于熱電阻是無源器件，在使用過程中需要外部激勵(lì)才能工作，在使用過程中必須注意激勵(lì)電流的大小要合適。電流過大會(huì)導(dǎo)致Pt100自身發(fā)熱，產(chǎn)生測(cè)量誤差，因此在設(shè)計(jì)過程中必須根據(jù)測(cè)量要求仔細(xì)設(shè)計(jì)信號(hào)調(diào)理電路，確保傳感器自身發(fā)熱產(chǎn)生的誤差在可接受范圍內(nèi)。 一、為什么采用三線制、四線制接法 由于Pt100溫度系數(shù)只有0.385Ω/℃，如果傳感器與控制器之間距離較遠(yuǎn)，需要較長(zhǎng)的引線，那么由于引線電阻而產(chǎn)生的測(cè)量誤差可能會(huì)很嚴(yán)重。例如，現(xiàn)假設(shè)有一個(gè)Pt100通過100英尺(約30米)的30號(hào)銅引線與控制器相連，30號(hào)銅導(dǎo)線的電阻為0.105Ω/英尺，如果采用常規(guī)的兩根引線的接法，如下圖，則引線上共產(chǎn)生21Ω電阻，即相當(dāng)于55 的測(cè)量誤差! 為解決這一問題，Pt100除了兩線制接法，還有三線制與四線制接法，來降低甚至消除引線電阻帶來的測(cè)量誤差。 二、恒流源激勵(lì)的兩、三、四線制接法 上文已經(jīng)提到，Pt100是電阻式溫度傳感器，其溫度測(cè)量的本質(zhì)其實(shí)是測(cè)量傳感器的電阻。通常的做法是將電阻轉(zhuǎn)換成電壓或電流等電信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，由單片機(jī)對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行線性化。一般Pt100進(jìn)行溫度測(cè)量有兩種方案： 1. 設(shè)計(jì)一個(gè)恒流源通過Pt100熱電阻，通過檢測(cè)Pt100上的電壓來計(jì)算溫度 2. 采用惠斯通電橋，電橋的四個(gè)電阻中有三個(gè)是恒定的，另外一個(gè)采用Pt100熱電阻，當(dāng)Pt100的電阻值發(fā)生變化時(shí)，測(cè)試端將產(chǎn)生一個(gè)電熱差，由此電熱差來計(jì)算溫度。 另外還有一類稱為“比例法”的測(cè)量方法，可看做第一類測(cè)量方法的改進(jìn)，后文將做詳細(xì)介紹。 兩線制恒流源激勵(lì)的接法如下圖所示，以恒流源輸出通過Pt100，測(cè)量Pt100兩端的電壓來換算成溫度，前面已經(jīng)提到，這種接法在Pt100引線較長(zhǎng)時(shí)會(huì)造成較大誤差。所以實(shí)際應(yīng)用中更實(shí)用的是三線制與四線制接法。 四線制接法(開爾文接法)如下圖所示，將Pt100的激勵(lì)與測(cè)量端分別采用兩組不同的引線引出，由于電壓測(cè)量點(diǎn)在Pt100的引線連接處，所以引線激勵(lì)電壓不會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果造成影響。 四線制接法以其高精度在實(shí)驗(yàn)室溫度測(cè)量中得到廣泛應(yīng)用，但是，由于成本、接線方便性等因素的制約，在工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)，三線制的接法應(yīng)用更加廣泛。 下圖為恒流源激勵(lì)的三線制Pt100的一種典型接法。其基本原理是假設(shè)Pt100的三條引線采用相同長(zhǎng)度的同型線纜，具有相同的阻值，即下圖中Rw1=Rw2=Rw3，利用測(cè)量端(Rw2引線)對(duì)引線電阻進(jìn)行補(bǔ)償。 具體來說，對(duì)于圖中接法，運(yùn)放A3同相輸入端電壓 V+=Vpt100+VRw3，運(yùn)放A3反向輸入端電壓V-=VRw1 + Vpt100 + VRw3 ?；赗w1=Rw2=Rw3的假設(shè)，有Vrw1 = Vrw3。則運(yùn)放A3的輸出Vo = 2V+ - V- = Vpt100。即從理論上消除了引線電阻對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。 三、惠斯通電橋的兩、三線制接法 惠斯通電橋是Pt100的另一種常見接法，其兩線制接法如下圖所示，顯然當(dāng)Pt100引線較長(zhǎng)時(shí)，會(huì)引入較大誤差。 ? 三線制Pt100惠斯通電橋接法如下圖所示，惠斯通電橋輸出公式如下式，如果選擇R3=Rpt100，即可從理論上消除引線電阻引入的測(cè)量誤差。 ? ? 四、比例法測(cè)量中兩、三、四線制接法 比例法測(cè)量的本質(zhì)是將Pt100與一參考電阻串聯(lián)，并施加一激勵(lì)源，由于流過Pt100與參考電阻的電流相同，則二者電壓比即為阻值之比。將參考電阻兩端電壓作為AD轉(zhuǎn)換器參考電壓，對(duì)Pt100兩端電壓進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，則有 式中D為ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果，N為ADC位數(shù)。 由于流過Pt100與參考電阻的電流相同，相比上面兩種結(jié)構(gòu)，此電路對(duì)激勵(lì)源的要求比比較低。由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，精密器件少，測(cè)量精度高等特點(diǎn)，比例法測(cè)量電路得到越來越多人的認(rèn)可。 下圖為比例法兩線制Pt100接法，顯然當(dāng)Pt100引線較長(zhǎng)時(shí)，會(huì)引入較大誤差。 在這個(gè)電路中可以將兩線制Pt100直接用四線制Pt100替換，改為四線制接法，消除引線誤差。 ? ? 下圖為比例法三線制Pt100接法，采用兩個(gè)輸出相等的恒流源對(duì)引線電阻進(jìn)行補(bǔ)償。 ? 工作原理：放大電路采用LM358 集成運(yùn)算放大器，為了防止單級(jí)放大倍數(shù)過高帶來的非線性誤差，放大電路采用兩級(jí)放大，如圖 5.1 所示，前一級(jí)約為10 倍，后一級(jí)約為3倍。溫度在0~100 度變化，當(dāng)溫度上升時(shí)，Pt100 阻值變大，輸入放大電路的差分信號(hào)變大，放大電路的輸出電壓Av 對(duì)應(yīng)升高。 R2、R3、R4 和Pt100 組成傳感器測(cè)量電橋，為了保證電橋輸出電壓信號(hào)的穩(wěn)定性，電橋的輸入電壓通過TL431 穩(wěn)至2.5V。從電橋獲取的差分信號(hào)通過兩級(jí)運(yùn)放放大后輸入單片機(jī)。電橋的一個(gè)橋臂采用可調(diào)電阻R3，通過調(diào)節(jié)R3 可以調(diào)整輸入到運(yùn)放的差分電壓信號(hào)大小，通常用于調(diào)整零點(diǎn)。 注意：雖然電橋部分已經(jīng)經(jīng)過TL431 穩(wěn)壓，但是整個(gè)模塊的電壓VCC 一定要穩(wěn)定，否則隨著VCC 的波動(dòng)，運(yùn)放LM358 的工作電壓波動(dòng)，輸出電壓Av 隨之波動(dòng)，最后導(dǎo)致A/D 轉(zhuǎn)換的結(jié)果波動(dòng)，測(cè)量結(jié)果上下跳變。