Pt100熱電阻的測溫特性

摘要:針對傳統Pt100熱電阻測溫電路在0~100℃增益不可調、輸出數據易受環境影響、測溫范圍小的缺陷進行實驗改進,得到高增益,測溫范圍大,穩定輸出的測溫電路。在傳統測溫電路上進行調整改進,摒棄大增益放大電路,采用三運放差分運算放大電路,有效地擴大增益調節能力和熱電阻測溫范圍,其測量溫度可達到150℃以上,同時具備抑制溫溧，正值輸出能力,能穩定地驗證熱電阻溫度特性。
0引言
　　Pt100鉑熱電阻是一種精度高、線性度好的常用溫度傳感器,"通常結合測溫電路進行高精度測量。它的使用溫度范圍為-200~850℃,在外界溫度變化時，電阻的阻值和溫度滿足線性關系,0C時的熱電阻標準阻值為100Ω,在0~100℃具有較好的線性關系,故測量任意兩個溫度下阻值的變化,便可獲得該熱電阻的溫度特性。目前熱電阻常用的接線方式有二線制、三線制、四線制,2在測量精度相對要求不高的場合下一般采用三線制,可以有效地降低連接導線電阻變化對測量結果的影響。但傳統Pt100熱電阻測溫電路,測溫范圍較窄,調節增益過程中運放易出現非線性失真,測量結果易受外界因素影響,對傳統的測溫電路進行了優化研究,得到了比較滿意的實驗結果。
1Pt100熱電阻結構及測溫工作原理
　　Pt100是中低溫區常用的測溫元件,在遠程測量過程中,由于Pt100阻值小、溫度系數低，其測溫精度易受導線電阻影響。B通常解決方法為Pt100熱電阻引出的3根導線,其截面積和長度均相同(即r=r2=rz),測量鉑電阻的電路一般是不平衡電橋,鉑電阻Rr作為電橋的一個橋臂電阻,將導線一根(r)接到電橋的電源端，其余兩根(r2,r3)分別接到鉑電阻所在的橋臂及與其相鄰的橋臂上(圖1)。這樣兩橋臂都引入了相同阻值的引線電阻,電橋處于平衡狀態,從而減少導線電阻所引起的測量誤差。.
　　Pt100熱電阻是利用鉑金屬隨溫度變化而其阻值變化進行測溫的,憑借穩定性好,性能可靠，在溫度傳感器中得到了廣泛的應用。鉑熱電阻在0-850℃溫度范圍下，電阻Rr與溫度t的關系為:R,=R,(1+At+Bt²),其中R0為0℃電阻值,R0=100Ω,A=3.908x10^-3/℃,B=--5.775x10^-71℃。
　　在測量精度低(0~100℃)的實驗中，可以將熱電阻阻值與溫度的關系簡化為:Rr=R0(1+At),如表1所示，其中,Rr為取平均值后的實驗數據,此時電阻與溫度具有良好的線性關系。
 
2改進前后Pt100熱電阻測溫實驗電路
2.1改進前Pt100熱電阻測溫實驗電路
　　在25℃~100℃下,Pt100熱電阻隨溫度的變化呈現出較好的線性關系,實驗中,Pt100熱電阻接入惠斯通電橋-.路,將熱電阻的受溫度變化的阻值轉化為電橋電壓的變化,再經過四運放放大電路,輸出端得到放大后的電壓,數據處理后,進而驗證熱電阻溫度特性,其電路圖如圖2所示。
 
 
　　在室溫環境下,為驗證熱電阻在25℃~100℃的溫度隨熱電阻呈現較好的線性關系,實驗器件參數如圖2所示,避免滑動變阻器人為調節的誤差,實驗測量中Rw2接人最大阻值,此時放大增益最小，通過式(2),得此時理論放大增益為53.55。
2.2改進后Pt100熱電阻測溫實驗電路
　　改良后Pt100熱電阻測溫實驗過程中,仍然采用惠斯通電橋和差分放大電路的設計方法,將惠斯通電橋稍微改動,采用其他類型差分放大電路實現電橋電壓的放大處理,其設計流程如圖3所示。一般來說,單運放差分電路存在兩個缺點:電阻的選取和調整不方便;每個信號源的輸入電阻均較小,回差分運算電路應采用兩個或兩個以上的運放構成。為了實現電路能夠調節放人增益,同時維持運放的線性狀態,保證輸出電壓為正值,故最后一級采用同相比例運算放大電路,如圖4所示。
 
　　Pt100熱電阻接法為三線制,不平衡電橋方面依舊采用惠斯通電橋,在傳統的電橋一臂改成電阻和同一數量級的滑動變阻器進行調零,與優化前電橋原理一致。
　　實驗電路的設計過程中,使得R3=R8,R5=R7,可以構成高輸入阻抗的差分運算電路,三級運放放大電路的運算表達式為:
 
　　優化設計中,采用拆封不久的Pt100熱電阻,實驗器件參數如圖2所示,避免滑動變阻器人為調節的誤差,Rw2同樣接人最人阻值,此時放人增益最小,通過式(3)、(4)和(5),整個差分放人運算電路增益可調范周為31~231,可滿足溫度變化電橋輸出電壓的放大。在系統調零后,優化測溫電路放大增益選擇40,其理想最大測量溫度可以達到145℃,滿足25℃~100℃測溫要求。
3改進前后Pt100熱電阻測溫實驗的比較
3.1改進前后Pt100熱電阻溫度檢測數據測量及處理
　　在不同溫度下通過對傳統Pt100熱電阻測溫實驗和改進的Pt100熱電阻測溫實驗多次測量其輸出.電壓并取平均值,得到輸出電壓與溫度的關系,其測量和理論數據如表2所示。
 
　　圖5(a)、(b)分別是傳統Pt100熱電阻測溫實驗和改進后Pt100熱電阻測溫實驗的實驗和理論的輸出電壓與溫度關系圖，如圖5所示,對傳統Pt100電路輸出電壓和理論輸出電壓取絕對值,“*”表示實際測量結果，“---”虛線為實際測量結果擬合直線,“一”實線為理論擬合直線。
 
　　傳統Pt100熱電阻測溫實驗中,實驗測量數據對比理論輸出值,此時95℃和105℃的輸出數據有誤,需刪除95℃和105℃的輸出數據,輸出靈敏度非線性誤差為140%,僅能說明在25℃~85℃實驗數據具有較好的線性特征
　　改進的Pt100熱電阻測溫實驗中，實驗測量數據對比理論輸出值擬合線良好，靈敏度0.156V/℃,非線性誤差為。結合理論擬合直線圖和實驗數據非線性誤差,考慮到實驗電路存在--定的損耗,可認為該優化測溫電路能正確地驗證熱電阻溫度特性。
3.2改進前后Pt100熱電阻溫度檢測的比較
在熱電阻測溫電路中,其靈敏度
 
　　A為測溫電路放大增益,△u1為熱電阻溫度引起的電橋輸出電壓變化量,△t為溫度變化量。若要增.大靈敏度,最好的措施是增大測溫電路增益A,但為保證電路正常工作,輸出電壓是不能超出Uom=±14V,測溫范圍必定受限制。靈敏度和測溫范圍為相互制約關系,增大靈敏度,則測溫范圍必然減小;增大測溫范圍,則靈敏度必然減小，所以在不同的測溫范圍中，電橋的差分電壓通過增益電路存在限定條件
 
　　結合測量初始熱電阻阻值R0及上限溫度的熱電阻阻值Rr計算即可得到測溫電路最優增益。
　　通過實驗對比,進一步證明傳統四運放差分放大電路存在以下不足:
　　首先,集成運放最大輸出電壓Uom=±14V,測量高于95℃熱電阻輸出電壓變化量，會導致運放工作于非線性狀態,影響測量結果;其次，傳統P100測溫電路增益調節范圍為53.55~+∞,選擇最小增益時輸出值出現失真,無法準確驗證25℃~100℃熱電阻溫度特性;最后,負值輸出電壓不利于數據記錄,輸出數據易受環境因素影響,四運放構成增益電路,元件利用率也較低。
改進后的三運放差分放大電路的優勢:
　　第一,保證放大電路有足夠大增益和運放工作于線性狀態下，實現熱電阻在25℃~100℃下數據正常輸出;第二，充分使用運放,可減小器件帶來的誤差,同時保證數據正值輸出;第三,使測溫范圍得到提高,采用三運放實現更好的適應溫度能力,改進前最小增益A=53.55代入(7)式，查閱理論熱電阻分度表,可得極限測量溫度為93C,同理,可計算改進后極限測量溫度為153℃;第四,測量的非線性誤差得到顯著降低,改進后的測溫電路較改進前非線性誤差減小了1/3,進一步保證了測量數據的穩定性。
4結語
　　使用了Pt100熱電阻三線制優化測溫法,采用三運放構成差分放大電路,整體.上減少了實驗元件所占據的體積和優化了儀器操作方式。增益調節范圍為31~231,極限測溫能力可達到153℃,可有效地避免運放工作于非線性狀態，同時非線性誤差較傳統測溫電路減小了1/3，且電壓輸出也很穩定。但唯一不足的是要擴大測溫范圍,需要犧牲測量精度為代價，原因在于:測溫范圍與靈敏度是相互制約關系,擴大測溫范圍,需要通過縮減測量精度來表現受熱電阻制約的輸出電壓。實驗中,主要測量25℃~100℃下,熱電阻的輸出特性,電阻與溫度變化關系中的非線性項對實驗影響較小，可以無需非線性補償電路部分。