鉑電阻溫度傳感器的測(cè)量方法及其應(yīng)用

 鉑電阻溫度傳感器作為一種高精度溫度傳感器廣泛用于氣象、汽車、航空、工業(yè)自動(dòng)化測(cè)量和各種實(shí)驗(yàn)儀器儀表等領(lǐng)域。鉑電阻溫度傳感器的測(cè)溫原理是金屬鉑(PT)電阻值隨在環(huán)境溫度變化而變化，且其電阻值和溫度值之問(wèn)有確定的函數(shù)關(guān)系，最常見的類型是Pt100和Pt1000。

1 鉑電阻溫度傳感器的三種引線方式

根據(jù)測(cè)溫傳感器引線方式的不同，鉑電阻分為二線制、三線制和四線制三種，三種引線方式各有特點(diǎn)，二線制引線方式具有引線簡(jiǎn)單，但存在的問(wèn)題是測(cè)量誤差較大，在測(cè)量中不可避免的引入線電阻誤差，僅適合于測(cè)量精度要求不高的場(chǎng)合。

三線制引線方式采用一端引線為兩根線，另一端引線為一根的方式，工業(yè)上一般都采用三線制接法，三線引線方式引出的3根導(dǎo)線截面積和長(zhǎng)度均相同，通常三線制電阻采用不平衡電橋法進(jìn)行測(cè)量，在測(cè)量時(shí)可以消除內(nèi)引線電阻的影響，測(cè)量精度高于兩線制。

四線制引線方式中有兩根線為供電電源線，另外兩根為信號(hào)線。電源和信號(hào)是分開工作的，該方法可以有效的去除線電阻。如果待測(cè)電阻的阻值與導(dǎo)線電阻相當(dāng)甚至遠(yuǎn)小于導(dǎo)線電阻時(shí)就只能采用四線制的測(cè)量方法.該方法測(cè)量精度較高，但該方法需要傳感器產(chǎn)生4根引線，在長(zhǎng)距離傳輸過(guò)程中會(huì)增加成本以及整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的重量，不能滿足某些特殊行業(yè)要求，主要用于高精度的溫度檢測(cè)。

2 兩線制鉑電阻測(cè)量電路

在鉑電阻溫度傳感器測(cè)量系統(tǒng)中，通常惠斯特電橋不平衡時(shí)的輸出電壓Vo來(lái)計(jì)算鉑電阻值，本系統(tǒng)中兩線制鉑電阻的采集電路如圖1所示。

I為恒壓源，R為限流電阻，被測(cè)電阻為Rt，線電阻為r，測(cè)試電路如圖1所示。按照歐姆定律計(jì)算可知：

上式中，RT：被測(cè)鉑電阻傳感器電阻值;r：傳感器引線電阻值;k：運(yùn)算放大器線性放大系統(tǒng)(通常由增益電阻Rg設(shè)定);VOUT：運(yùn)算放大器輸出電壓值。

從(2)式中可以看出，用兩線制傳輸，會(huì)帶來(lái)2r的測(cè)量誤差。測(cè)量系統(tǒng)中用的傳輸線每米電阻約為0.061 Ω，2r為0.122 Ω。假設(shè)系統(tǒng)中測(cè)量電阻與測(cè)量電路的引線有50 m長(zhǎng)，則引線電阻產(chǎn)生的誤差將達(dá)到3.05 Ω，即溫度測(cè)量誤差將達(dá)到7.6℃(系統(tǒng)中鉑電阻每變化1℃時(shí)的電阻變化約為0.398 Ω左右)。

可見，在測(cè)量系統(tǒng)與傳感器之間距離較遠(yuǎn)時(shí)，則線電阻r對(duì)鉑電阻采集精度的影響非常大，因此兩線制鉑電阻僅適合于引線距離比較近，測(cè)量精度要求一般的場(chǎng)合。

3 三線制電阻測(cè)量電路

3.1 惠斯通電橋(Wheatstone Bridge)

當(dāng)

，電阻橋達(dá)到平衡，由式(3)可以看出，這時(shí)無(wú)論激勵(lì)源是電流型還是電源型，也無(wú)論激勵(lì)源的大小，V0均輸出為零。因此，如果R2/R3是一個(gè)固定系數(shù)K，則當(dāng)R1=K×R4時(shí)，電橋?qū)⑦_(dá)到平衡，即有：Vo=0。

這種平衡值測(cè)量方法通常用在反饋控制系統(tǒng)中，當(dāng)橋臂上的電阻即使呈現(xiàn)非常微小的變化也會(huì)反映在輸出電壓的改變，通過(guò)監(jiān)測(cè)橋是否平衡可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)傳感器監(jiān)測(cè)對(duì)象(力、溫度等)的變化情況。將電橋的輸出電壓VO做為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的反饋信號(hào)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)執(zhí)行偏差，不斷修正執(zhí)行指令。常用于力矩測(cè)量、電熱調(diào)節(jié)控制器領(lǐng)域。

通常情況下，我們認(rèn)為激勵(lì)源VR是一個(gè)固定值，由式(1)可以看出，橋輸出電壓VO的大小與激勵(lì)電源VR呈線性比例關(guān)系，因此該測(cè)量系統(tǒng)的精度永遠(yuǎn)不可能比激勵(lì)電源的精度高。

3.2 三線制引線非平衡電橋測(cè)量電路

由惠斯特電橋理論可知，若電橋工作時(shí)，電橋的4個(gè)橋臂上有1個(gè)發(fā)生了變化，即R1變?yōu)镽’=R1+△r，那么惠斯特電橋的平衡就會(huì)被打破，即圖2中

，則A、B間存在一定的電勢(shì)差UL，則稱此電橋?yàn)榉瞧胶怆姌颍从蠽O=UL≠0。

利用非平衡電橋原理.將各種電阻型傳感器RT接入電橋回路，橋路的非平衡電壓就能反映出橋臂電阻的微小變化，因此，就可以檢測(cè)出外界物理量的變化(溫度、壓力等)，R是測(cè)量系統(tǒng)選定的精密橋臂電阻，RT為被測(cè)電阻。

兩條輸入端接入高輸入阻抗的運(yùn)算放大器，這樣由偏置電流在線電阻上引起的壓降會(huì)降到最小，這樣會(huì)最大限度的減小漏電流，按照基爾霍夫電流電壓定律可知：

由公式(4)可以看出在此測(cè)量系統(tǒng)中，當(dāng)RT>R時(shí)，因橋臂的輸出電壓VOUT為負(fù)值，因此為保證VOUT一直輸出為正，則該測(cè)量系統(tǒng)橋臂電阻值R應(yīng)當(dāng)大于被測(cè)電阻RT的上限電阻值，以PT1000為例，0℃時(shí)其電阻值為1 000 Ω，其電阻有效變化范圍為803 Ω～2 120 Ω(即溫度變化范圍為-50℃～300℃)，則橋臂電阻R的應(yīng)當(dāng)選取大于其鉑電阻值的變化上限(2120 Ω)，在本例中，橋臂電阻R選取2 700 Ω，完全滿足測(cè)量需求且不會(huì)發(fā)生溢出現(xiàn)象。

在激勵(lì)電流源為典型值1 mA的條件下，此時(shí)VAB的變化范圍為153～575mV，AMP為TI公司的高精度運(yùn)算放大器AD620，AD620采用差分放大器將橋臂輸出的電壓差轉(zhuǎn)換為單端電壓并進(jìn)行放大，其差分放大器的失調(diào)電壓很小，消除失調(diào)意味著輸出端微小差分信號(hào)得到放大而失調(diào)電壓不被放大，其增益電阻選擇阻值為5 kΩ的高精度電阻，則運(yùn)算放大器增益為k=10.88，則通過(guò)公式(4)計(jì)算可知，VOUT有效輸出電壓范圍為1.667～6.259 V。

3.2.1 傳感器異常情況下采集結(jié)果

在鉑電阻測(cè)溫系統(tǒng)中，鉑電阻傳感器的工作環(huán)境通常比較惡劣，從傳感器引線端到測(cè)量系統(tǒng)的引線通常達(dá)十余米，在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)引線的保護(hù)也非常重要，要避免出現(xiàn)斷開以及相互短路的現(xiàn)象發(fā)生，在某些特殊領(lǐng)域(例如航空工業(yè)、石油勘探)，系統(tǒng)要求當(dāng)出現(xiàn)類似的故障時(shí)測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)能夠主動(dòng)識(shí)別，要求系統(tǒng)具有告警能力。

3.2.1.1 在傳感器開路情況

傳感器開路，對(duì)于測(cè)試系統(tǒng)可以分為以下幾種情況來(lái)分析，如表1所示。

由上表1可知，當(dāng)傳感器出現(xiàn)了開路故障，運(yùn)算放大器的輸出電壓VOUT=13.6 V或VOUT=-12.7 V，即在傳感器開路條件下，運(yùn)算放大器進(jìn)入飽和狀態(tài);而在傳感器正常工作條件下，運(yùn)算放大器的輸出電壓VOUT均在正常放大區(qū)內(nèi)。

3.2.1.2 在傳感器短路情況

通常情況下鉑電阻傳感器不會(huì)出現(xiàn)短路的情況，在使用不當(dāng)，例如傳感器引線磨損導(dǎo)致線間短路，那么由式(4)可知，VOUT的輸出如下所示：

此時(shí)VOUT輸出為運(yùn)算放大器正的飽和值(13.6V)，如表2所示。

因Wire1、2本身就是從一端引出，故Wire1、2不存在短路故障狀態(tài)。由上表2可知，當(dāng)傳感器出現(xiàn)了短路故障，運(yùn)算放大器的輸出電壓VOUT=13.6 V，即在傳感器短路條件下，運(yùn)算放大器進(jìn)入飽和狀態(tài);而在傳感器正常工作條件下，運(yùn)算放大器的輸出電壓VOUT均在正常放大區(qū)內(nèi)。

3.2.1.3 在傳感器異常情況告警功能

通過(guò)分析了傳感器在開路、短路故障條件下運(yùn)算放大器的輸出電壓值，可以得出在此兩種情況下，運(yùn)算放大器的輸出為其飽和值，即開路、短路狀態(tài)與正常采集狀態(tài)沒(méi)有數(shù)據(jù)重疊區(qū)，系統(tǒng)就可據(jù)此監(jiān)控傳感器是否正常工作。則本測(cè)量系統(tǒng)均可以識(shí)別出傳感器故障，該系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)告警功能，可以將傳感器實(shí)時(shí)故障情況告知系統(tǒng)。

4 四線制引線測(cè)量電路

從圖4中還可以看出，其中，Wire1和wire4是鉑電阻的恒流源回路，恒流源提供的電流不會(huì)受導(dǎo)線電阻和負(fù)載大小的影響;W2和W3是鉑電阻的2根測(cè)量信號(hào)線，因運(yùn)算放大器的輸入阻抗很大(10 GΩ)，則引線電阻的分壓可以忽略，因此，測(cè)量到的就是實(shí)際被測(cè)電阻值。因此，四線制接法能夠最大限度地降低測(cè)量噪聲，提高測(cè)量精度。

I為恒壓源，R為限流電阻，被測(cè)電阻為Ri，線電阻為r，測(cè)試電路如圖4所示。按照歐姆定律計(jì)算可知：

VOUT=k*I*RT (7)

上式中，RT：被測(cè)鉑電阻傳感器電阻值;k：運(yùn)算放大器線性放大系統(tǒng)(通常由增益電阻Rg設(shè)定);VOUT：運(yùn)算放大器輸出電壓值。

從(8)式中可以看出，用四線制引線方式進(jìn)行采集，VOUT的輸出電壓與系統(tǒng)限流電阻R及引線電阻r的大小均無(wú)關(guān)。

可見，在測(cè)量系統(tǒng)與傳感器之間距離較遠(yuǎn)時(shí)，則線電阻r對(duì)鉑電阻采集精度的影響非常大，因此兩線制鉑電阻僅適合于引線距離比較近，測(cè)量精度要求一般的場(chǎng)合。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了鉑電阻溫度傳感器的三種不同引線方式的采集測(cè)量電路，具體分析了各自采集系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)于工業(yè)上使用廣泛的三線制電阻，系統(tǒng)地分析其采集電路，著重分析了不平衡電橋采集電路，對(duì)于不平衡電橋采集電路的各類異常情況也做了詳細(xì)分析，在實(shí)際測(cè)量中對(duì)各種異常情況進(jìn)行了模擬試驗(yàn)，并且給出了具體的測(cè)試參數(shù)與判斷方法，本文中的測(cè)量電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單測(cè)量精度高，具有很強(qiáng)的使用價(jià)值。