可支持電阻溫度檢測(cè)器的高精度接口

電阻溫度檢測(cè)器(RTD)屬于溫度傳感器的一種，可以利用金屬電阻會(huì)隨著溫度高低不同而出現(xiàn)相應(yīng)變化這一物理特性測(cè)量溫度，其應(yīng)用范圍非常廣泛，例 如用以測(cè)量及控制溫度的許多儀表都采用這種檢測(cè)器。這些測(cè)量?jī)x表電路都采用100Ω的白金電阻溫度檢測(cè)器(PRTD)，目前市場(chǎng)上還有多種不 同的白金電阻溫度檢測(cè)器可供選擇。以超過(guò)0℃的溫度環(huán)境來(lái)說(shuō)，白金電阻溫度檢測(cè)器的電阻溫度轉(zhuǎn)換函數(shù)大約可以利用公式1列出，公式中的T指溫度。

---電阻溫度檢測(cè)器電阻RRTD= (100 + 0.39083T-0.00005775T2)Ω (1)

---白 金電阻溫度檢測(cè)器接口電路有助減低信號(hào)調(diào)理元件出現(xiàn)的誤差，電路如圖1所示。LMP2011芯片是高增益而補(bǔ)償電壓接近零的高精度放大器，LM4140A -2.500則是已微調(diào)的低漂移電壓參考電路，其誤差不超過(guò)0.05%，電壓漂移則不會(huì)超過(guò)10×10-6/℃。用戶只要采用這兩款芯片再搭 配幾個(gè)高精度電阻，便可組裝出準(zhǔn)確而又穩(wěn)定的溫度計(jì)。

---圖1 的電路最適宜采用4引線白金電阻溫度檢測(cè)器，目前采用的眾多配置之中也以這款設(shè)計(jì)最為準(zhǔn)確。4引線白金電阻溫度

檢測(cè)器設(shè)有Kelvin連接動(dòng)力引線及傳感 引線。圖1中的W1及W4這兩條引線屬于動(dòng)力引線，負(fù)責(zé)將電阻溫度檢測(cè)器連接到恒流電源。另外兩條引線W2及W3屬于傳感引線，負(fù)責(zé)將電阻溫度檢測(cè)器的電 壓連接到放大器。這個(gè)設(shè)計(jì)可將負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)電阻溫度檢測(cè)器的恒流電源與測(cè)量電路分開，其優(yōu)點(diǎn)是，測(cè)量電阻溫度檢測(cè)器的電壓時(shí)，即使W1和W4引線出現(xiàn)壓降也不 會(huì)影響測(cè)量數(shù)字的準(zhǔn)確性。

---下面解釋為何引線會(huì)造成測(cè)量上出現(xiàn)誤差。假若探頭采 用3m長(zhǎng)的24級(jí)銅線，而這條導(dǎo)線將電阻與測(cè)量?jī)x表連接一起，那么引線的電阻可以用下式計(jì)算出來(lái)：2×3m× (0.0857Ω/m) = 0.514Ω。若溫度為0℃時(shí)，電阻溫度檢測(cè)器的電阻會(huì)按照0.39Ω/℃這個(gè)升降率而轉(zhuǎn)變，令引線產(chǎn)生以下的溫度誤差： 0.514Ω/(0.39Ω/℃)=1.31℃。溫度越高，誤差也就越大。若溫度為400℃，白金電阻溫度檢測(cè)器的電阻會(huì)按照 0.35Ω/℃這個(gè)升降率而轉(zhuǎn)變，令引線產(chǎn)生以下的溫度誤差：0.514Ω/(0.35Ω/℃)=1.46℃。

可以激勵(lì)電阻溫度檢測(cè)器的其他電路

---圖2 和圖3的電路是另外兩個(gè)可以用來(lái)激勵(lì)白金電阻溫度檢測(cè)器的設(shè)計(jì)方案。圖2的電路利用恒壓電源及串行電阻設(shè)定流入白金電阻溫度檢測(cè)器的電流，并為不同的溫度 各自設(shè)定不同的電流值。以這個(gè)示例來(lái)說(shuō)，溫度為0℃時(shí)，電流則設(shè)定為1mA(2.5V/(100Ω+2400Ω)= 0.001A)。這個(gè)計(jì)算方法沒(méi)有將W1及W4引線所產(chǎn)生的電阻計(jì)算在內(nèi)。經(jīng)過(guò)分壓器分壓之后的W2及W3傳感引線電壓可以利用公式2計(jì)算出來(lái)。

---VPRTD=VR×((RPRTD+2400Ω)/RPRTD) (2)

---圖3的電路采用恒流電源。只要引線壓降、白金電阻溫度檢測(cè)器及R8電阻所產(chǎn)生的總電壓不超過(guò)A1放大器的最高輸出擺幅，1mA的電流便會(huì)流入白金電阻溫度檢測(cè)器。傳感引線W2及W3的電壓可以用式3計(jì)算出來(lái)。

---VPRTD=0.001×RPRTD (3)

---圖4利用圖表方式比較這兩種不同電路設(shè)計(jì)的性能。曲線1是輸出恒流驅(qū)動(dòng)電流的VPRTD，而曲線2則是輸出恒壓驅(qū)動(dòng)電流的VPRTD。由于分壓器的關(guān)系，恒壓驅(qū)動(dòng)電流的線性表現(xiàn)會(huì)受到一定的影響，以致其實(shí)際表現(xiàn)會(huì)增添一些非線性的特性。

恒流激勵(lì)器

---恒流電源供應(yīng)器由放大器1(即LMP2011高精度放大器)、R8電阻及2.5V LM4140參考電路組成。恒流值可以用公式4計(jì)算出來(lái)。

---IRTD= Vref/R8 (4)

---若 以圖1的數(shù)值代入計(jì)算，恒流值則為IRTD=2.5V/2500Ω=1mA。一般來(lái)說(shuō)，1mA的電流已夠低，不會(huì)令白金電阻溫度檢測(cè)器的內(nèi)部 過(guò)度受熱，因此可將因溫度上升而產(chǎn)生的誤差減至最少。輸入電阻溫度檢測(cè)器的電流必須高低適中，電流量一方面要夠強(qiáng)，足以提高溫度傳感器的靈敏度，但另一方 面又不能太高，以免電阻溫度檢測(cè)器因內(nèi)部受熱過(guò)度而出現(xiàn)太多誤差。介紹電阻溫度檢測(cè)器特性的產(chǎn)品數(shù)據(jù)表一般都會(huì)提供相關(guān)的技術(shù)參數(shù)，并詳細(xì)列出在不同的情 況下檢測(cè)器的內(nèi)部溫度會(huì)上升多少。只要改變R8的電阻值，便可使用其他的恒流值。R8電阻會(huì)直接影響電源供應(yīng)的準(zhǔn)確度，而電源供應(yīng)的準(zhǔn)確度應(yīng)該高于溫度測(cè) 量數(shù)字所要求的準(zhǔn)確度，而且其穩(wěn)定性也不應(yīng)該受溫度變化的影響。

---若要確保R8電阻能夠充分發(fā)揮其性能，可以采用已封裝微調(diào)的薄膜電阻陣列，例如，可以先將4個(gè)10kΩ電阻并行連接一起，然后裝載在同一封裝內(nèi)，組裝成一個(gè)準(zhǔn)確的2.5kΩ電阻。

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信號(hào)放大器

--A2、A3和A4三個(gè)放 大器可以組裝一起，成為儀表測(cè)量放大器。以這一電路為例來(lái)說(shuō)，應(yīng)用的溫度范圍是0～700℃，因此這個(gè)溫度范圍之內(nèi)的電阻便應(yīng)該介于 100～345.28Ω之間。若輸入電流為1mA，傳感引線的電壓會(huì)在0.10～0.34528V的范圍內(nèi)波動(dòng)。再假設(shè)LM4140A- 2.500電壓參考電路也為模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器提供電壓參考，而白金電阻溫度檢測(cè)器的信號(hào)則調(diào)高至其滿標(biāo)度的2.5V，那么儀表測(cè)量放大器必須提供的增益則 等于2.500/0.34528=7.2405。儀表測(cè)量放大器的整體增益可以用公式5計(jì)算出來(lái),但必須受R3=R1、R4=R2及R6=R5這三個(gè)前提 限制。

---Av=(1+2R5/R7)(R1/R2) (5)

---由 于要求的增益較低，因此所有增益都來(lái)自第一級(jí)放大器，而且這方面的增益可以利用R7的電阻值加以控制。由于增益可以加以設(shè)定，因此其他電阻也必須采用相同 的電阻值。R1、R2、R3、R4、R5及R6等電阻的電阻值應(yīng)互相參照調(diào)校，以便盡量縮小彼此的差距。這些電阻最適宜用來(lái)組裝微調(diào)薄膜電阻組，其優(yōu)點(diǎn)是 各電阻在有需要時(shí)可以加以互相參照調(diào)校，確保

彼此的差值不會(huì)超過(guò)0.01%。R7的電阻值可以用公式6計(jì)算出來(lái)。

---7.2405=(1+2(10kΩ)/R7)(10kΩ/10kΩ) (6)

---這里，R1、R2和R5均為10kΩ，計(jì)算得出R7=3.2049kΩ。

---上述電路可為100Ω的白金電阻溫度檢測(cè)器提供一個(gè)功能齊備的信號(hào)調(diào)理解決方案。其他的電阻傳感器只要將電源供應(yīng)及測(cè)量?jī)x表放大器的增益稍加調(diào)節(jié)，便可采用相同的電路。對(duì)于其他類型的電阻溫度檢測(cè)器，需要對(duì)有關(guān)數(shù)值加以調(diào)整，以便能支持所需的功能。