RTD Pt100的一種單電源信號(hào)調(diào)理電路

摘要：介紹一種由單電源CMOS四運(yùn)算放大器MCP604實(shí)現(xiàn)電阻式溫度傳感器Pt100的激勵(lì)和信號(hào)放大電路。其中，Pt100由MCP604中兩個(gè)放大器形成的浮動(dòng)電流源激勵(lì);采用3線制接入由運(yùn)放組成的引線補(bǔ)償電路中進(jìn)行引線補(bǔ)償：補(bǔ)償后的電壓信號(hào)由MCP604中另外兩個(gè)放大器構(gòu)成的放大電絡(luò)進(jìn)行采樣放大。

1、引言

電阻式溫度檢測(cè)器(ResistanceTemperatureDecector、RTD)是一種電阻值隨溫度變化的傳感器，所以可通過(guò)測(cè)量電阻值來(lái)完成溫度測(cè)量。一般有3種方法測(cè)量電阻值：①歐姆表：②在恒電流激勵(lì)下測(cè)量電阻兩端電壓降;③在恒電壓激勵(lì)下測(cè)量流過(guò)電阻的電流。溫度傳感器電路中常采用方法②來(lái)完成溫度測(cè)量。電橋是最常用的方式，但其輸出信號(hào)與橋臂電阻是非線性函數(shù)關(guān)系，需要后續(xù)線性化處理，如采用硬件電路，或利用查找表的方法通過(guò)軟件來(lái)對(duì)結(jié)果進(jìn)行修正。

本文提出丁一種非電橋的電蹄形式，不僅對(duì)傳感器進(jìn)行恒定電流激勵(lì)，而且電路輸出信號(hào)與傳感器電阻值滿足線性關(guān)系。該電路應(yīng)用在“變電站運(yùn)行監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”中，實(shí)現(xiàn)對(duì)三路溫度信號(hào)的檢測(cè)，運(yùn)行效果良好。

下面以其中一路溫度傳感器的激勵(lì)和采樣調(diào)理電路來(lái)進(jìn)行論述。

2、電阻式溫度傳感器Ptl00

2.1、鉑溫度傳感器Ptl00概述

金屬鉑(Pt)的電阻值隨溫度而變化，并具有良好的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性。利用鉑的這種物理特性制成的傳感器稱為鉑電阻溫度傳感器，如Ptl00、Ptl000。它們不僅被廣泛應(yīng)用于工業(yè)測(cè)溫，而且被制成各種標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)(涵蓋國(guó)家和世界基準(zhǔn)溫度)供計(jì)量和校準(zhǔn)使用。Pt100在-200℃～+850℃內(nèi)比熱電偶更精確、線性度更睦，兩端產(chǎn)生的壓降遠(yuǎn)大于熱電偶的輸出，且不需要冷端補(bǔ)償。此外，Ptl00還具有抗振動(dòng)、防腐蝕、良好的互換性、重現(xiàn)性和穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，常應(yīng)用于低中溫測(cè)量。

Ptl00的電阻值與溫度的函數(shù)關(guān)系

2.2、溫度傳感器Pt100的應(yīng)用要點(diǎn)

Pt100在實(shí)際使用時(shí)，有以下應(yīng)用要點(diǎn)：

(1)選型應(yīng)根據(jù)實(shí)際使用溫度測(cè)量范圍、精度、尺寸及安裝固定方式口。

(2)允許流過(guò)的電流應(yīng)小于5mA。在進(jìn)行電流源激勵(lì)Pt100(特別是采用電橋的電路形式)時(shí)，應(yīng)注意滿足該條件，否則會(huì)造成Pt100自熱而影響測(cè)量準(zhǔn)確度。一般激勵(lì)電流采用lmA，甚至更小;

(3)電路接入方式一般有兩線制、三線制和四線制，引出線示意圖如圖1所示。二線制時(shí)傳感器電阻值與連接導(dǎo)線電阻值共同構(gòu)成總的電阻值，所以導(dǎo)線電阻帶來(lái)的附加誤差會(huì)使實(shí)際測(cè)量值偏高，一般適用于低測(cè)量精度且引線較短的場(chǎng)合;三線制要求三根引線截面積和長(zhǎng)度均相同，引線(正負(fù)線)電阻產(chǎn)生的影響才能相互抵消，，工業(yè)中一般都采用三線制;四線制用在測(cè)量精度高且變化很小的場(chǎng)合，因?yàn)樵谶@些場(chǎng)合下引線電阻可能引入明顯誤差，這時(shí)可利用其中的兩條引線提供恒定電流，另兩條引線提供未知電阻的電壓降，，四線制也是常用方式。

(4)誤差。

溫度傳感器在測(cè)量過(guò)程中主要誤差來(lái)源有傳感器對(duì)分度表的誤差;絕緣不良引起的誤差;線路電阻引起的誤差;測(cè)量?jī)x表的誤差以及傳熱誤差、動(dòng)態(tài)相應(yīng)誤差、千擾誤差等。其中有些誤差只有在一定條件下才出現(xiàn)，并且可通過(guò)一定措施來(lái)減小或消除。本文除了采用三線制的接入方式來(lái)減小引線電阻的影響外，還采用了二階有源濾波放大電路來(lái)減小外部干擾所帶來(lái)的誤差。

3、單電源溫度測(cè)量的完整電路

由MCP604構(gòu)成單電源溫度檢測(cè)的完整電路如圖2，電路由精密浮動(dòng)電流源、引線補(bǔ)償和二階低通有源濾波放大電路三部分組成。

3.1、精密浮動(dòng)電流源

圖2中，精密浮動(dòng)電流源由基準(zhǔn)電壓VREF、MCP604A和MCP604B等構(gòu)成，形成恒定電流對(duì)Ptl00進(jìn)行激勵(lì)。假設(shè)Ptl00的電流為I，兩端電壓降為VX，MCP604A同相端為vl。經(jīng)過(guò)MCP604A同相放大后則為V2，，根據(jù)模擬電路的知識(shí)得

I=VREF/IR3(3)

由此可知，激勵(lì)Ptl00的電流I為VREF與R3的比值。因此電流I為一定值。注意，在實(shí)際制作電路中，應(yīng)保證電流I《5mA。代入圖2中的參數(shù)，計(jì)算得到該恒定電流約為1.004mA，近似為1mA。

3.2、引線補(bǔ)償

在實(shí)際應(yīng)用中，測(cè)試系統(tǒng)置于室內(nèi)，而傳感器Ptl00置于室外的被測(cè)對(duì)象中，導(dǎo)致接入電路}均引線較氏，影響測(cè)量準(zhǔn)確度除了采用低輸入失調(diào)電壓和低偏置電流的精密運(yùn)算放大器外，還應(yīng)盡量減小引線電阻所引入的誤差。如圖2中虛線框所示，利用MCP604C構(gòu)成引線補(bǔ)償電路，Ptl00采用3線制與圖中的A、B和O點(diǎn)相連接。

如圖3所示，假設(shè)Ptl00的三根接入引線電阻分別為Rwl、Rw2和Rw3，浮動(dòng)電流源激勵(lì)Ptl00的電流為I。

RTD Pt100的一種單電源信號(hào)調(diào)理電路

3.3、二階低通有源濾波放大

由于被測(cè)溫度是緩慢變化的，從而Ptl00的輸出信號(hào)也是緩慢變化的。采用如圖4所示的二階低通有源濾波放大電路來(lái)調(diào)理信號(hào)，能有效地濾除一些低頻千擾，使得輸出信號(hào)更平滑。根據(jù)圖中參數(shù)，可計(jì)算出截止頻率fo=10Hz。

RTD Pt100的一種單電源信號(hào)調(diào)理電路

4、結(jié)論

本電路主要用于“變電站運(yùn)行監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”的溫度檢測(cè)采樣。系統(tǒng)要求的溫度測(cè)量范圍為O℃一20℃、精度為土0.5℃，且監(jiān)測(cè)采樣三路溫度信號(hào)。采用MCP604單電源運(yùn)算放大器后，每路Ptl00的激勵(lì)和信號(hào)采樣放大都由一片MCP604完成，且后續(xù)處理中無(wú)需線性補(bǔ)償就能滿足設(shè)計(jì)要求。與先前的產(chǎn)品相比，新產(chǎn)品的溫度采樣調(diào)理電路明顯地簡(jiǎn)化，性價(jià)比也大大地提高了。