Pt100热电阻的测温实验改进

摘要:针对传统Pt100热电阻测温电路在0-100℃增益不可调、输出数据易受环境影响、测温范围小的缺陷进行实验改进,得到高增益,测温范围大,稳定输出的测温电路。在传统测温电路上进行调整改进,摒弃大增益放大电路,采用三运放差分运算放大电路,有效地扩大增益调节能力和热电阻测温范围,其测量温度可达到150℃以上,同时具备抑制温漂，正值输出能力能稳定地验证热电阻温度特性。
0引言
　　Pt100铂热电阻是一种精度高线性度好的常用温度传感器,"通常结合测温电路进行高精度测量。它的使用温度范围为-200-850℃,在外界温度变化时,电阻的阻值和温度满足线性关系,0℃时的热电阻标准阻值为100Ω,在0~100℃具有较好的线性关系,故测量任意两个温度下阻值的变化,便可获得该热电阻的温度特性。目前热电阻常用的接线方式有二线制、三线制、四线制,在测量精度相对要求不高的场合下一般采用三线制,可以有效地降低连接导线电阻变化对测量结果的影响。但传统Pt100热电阻测温电路,测温范围较窄,调节增益过程中运放易出现非线性失真，测量结果易受外界因素影响,本文对传统的测温电路进行了优化研究,得到了比较满意的实验结果。
1Pt100热电阻结构及测温工作原理
　　Pt100是中低温区常用的测温元件,在远程测量过程中,由于Pt100阻值小、温度系数低，其测温精度易受导线电阻影响。P通常解决方法为Pt100热电阻引出的3根导线,其截面积和长度均相同(即R1=r2=r3r),测:量铂电阻的电路一般是不平衡电桥,铂电阻Rr作为电桥的一个桥臂电阻,将导线一根(r1)接到电桥的电源端.其余两根(r2,r3)分别接到铂电阻所在的桥臂及与其相邻的桥臂上(图1)。这样两桥臂都引入了相同阻值的引线电阻,电桥处于平衡状态,从而减少导线电阻所引起的测量误差。
　　Pt100热电阻是利用铂金属随温度变化而其阻值变化进行测温的,凭借稳定性好,性能可靠,在温度传感器中得到了广泛的应用。铂热电阻在0-850℃温度范围下，电阻Rr与温度t的关系为:Rr=R0(1+At+Bt²),其中R0为0℃电阻值,R0=100Ω.A=3.908x10^-3/℃,B=-5.775x10^-7/℃。
　　在测:量精度低(0~100℃)的实验中，可以将热电阻阻值与温度的关系简化为:Rr=R0(1+At),如表1所示,其中,Rr为取平均值后的实验数据,此时电阻与温度具有良好的线性关系。
 
2改进前后Pt100热电阻测温实验电路
2.1改进前Pt100热电阻测温实验电路
　　在25℃~100℃下,Pt100热电阻随温度的变化早现出较好的线性关系,实验中,P100热电阻接入惠斯通电桥--路,将热电阻的受温度变化的阻值转化为电桥电压的变化,再经过四运放放大电路,输出端得到放大后的电压,数据处理后.进而验证热电阻温度特性,其电路图如图2所示。
 
 
　　在室温环境下,为验证热电阻在25℃~100℃的温度随热屯阻呈现较好的线性关系,实验器件参数如图2所示,避免滑动变阻器人为调节的误差,实验测量中Rn接人最大阻值,此时放大增益最小，通过式(2).得此时理论放大增益为53.55。
2.2改进后Pt100热电阻测温实验电路
　　改良后Pt100热电阻测温实验过程中,仍然采用惠斯通电桥和差分放大电路的设计方法,将惠斯通电桥稍微改动,采用其他类型差分放大电路实现电桥电压的放大处理,其设计流程如图3所示。一般来说,单运放差分电路存在两个缺点:电阻的选取和调整不方便;每个信号源的输人电阻均较小,差分运算电路应采用两个或两个以上的运放构成。为了实现电路能够调节放大增益,同时维持运放的线性状态,保证输出电压为正值,故最后一级采用同相比例运算放大电路.如图4所示。
 
　　Pt100热电阻接法为三线制,不平衡电桥方面依旧采用惠斯通电桥,在传统的电桥--臂改成电阻和同一数量级的滑动变阻器进行调零,与优化前电桥原理一致。
　　实验电路的设计过程中，使得R;=Rx,R,=R,可以构成高输入阻抗的差分运算电路,三级运放放大电路的运算表达式为:
 
　　优化设计中,采用拆封不久的Pt100热电阻,实验器件参数如图2所示,避免滑动变阻器人为调节的误差,Rwz同样接入最大阻值,此时放大增益最小,通过式(3).(4)和(5),整个差分放大运算电路增益可调范周为31~231,可满足温度变化电桥输出电压的放大。在系统调零后,优化测温电路放大增益选择40,其理想最大测量温度可以达到145℃,满足25℃~100℃测温要求。
3改进前后Pt100热电阻测温实验的比较
3.1改进前后Pt100热电阻温度检测数据测量及处理
　　在不同温度下通过对传统Pr100热电阻测温实验和改进的P100热电阻测温实验多次测量其输出电压并取平均值,得到输出电压与温度的关系,其测量和理论数据如表2所示。
 
　　图5(a).(b)分别是传统Pr100热电阻测温实验和改进后Pt100热电阻测温实验的实验和理论的输出电压与温度关系图,如图5所示,对传统Pt100电路输出电压和理论输出电压取绝对值,“*"表示实际测量结果,“---”虚线为实际测量结果拟合直线，“---”实线为理论拟合直线。
 
　　A为测温电路放大增益,△u1为热电阻温度引起的电桥输出电压变化量,△t为温度变化量。若要增大灵敏度,最好的措施是增大测温电路增益A,但为保证电路正常工作,输出电压是不能超出Uꝏ=±14V,测温范围必定受限制。灵敏度和测温范围为相互制约关系,增大灵敏度,则测温范围必然减小;增大测温范围,则灵敏度必然减小，所以在不同的测温范围中,电桥的差分电压通过增益电路存在限定条件。
 
　　结合测量初始热电阻阻值Ro及上限温度的热电阻阻值R,计算即可得到测温电路最优增益。
　　通过实验对比,进一步证明传统四运放差分放大电路存在以下不足:
　　首先,集成运放最大输出电压Uꝏ=±14V,测量高于95℃热电阻输出电压变化量,会导致运放工作于非线性状态，影响测量结果;其次,传统Pt100测温电路增益调节范围为53.55-+∞,选择最小增益时输出值出现失真,无法准确验证25℃~100℃热电阻温度特性;最后,负值输出电压不利于数据记录,输出数据易受环境因素影响，四运放构成增益电路,元件利用率也较低。
改进后的三运放差分放大电路的优势:
　　第一，,保证放大电路有足够大增益和运放工作于线性状态下,实现热电阻在25℃-100℃下数据正常输出;第二,充分使用运放,可减小器件带来的误差,同时保证数据正值输出;第三,使测温范围得到提高,采用三运放实现更好的适应温度能力,改进前最小增益A=53.55代入(7)式,查阅理论热电阻分度表,可得极限测量温度为93C,同理,可计算改进后极限测量温度为153C;第四,测量的非线性误差得到显著降低，改进后的测温电路较改进前非线性误差减小了1/3,进一步保证了测量数据的稳定性。
4结语
　　本文使用了Pt100热电阻三线制优化测温法,采用三运放构成差分放大电路,整体上减少了实验元件所占据的体积和优化了仪器操作方式。增益调节范围为31~231,极限测温能力可达到153℃,可有效地避免运放工作于非线性状态，同时非线性误差较传统测温电路减小了1/3，且电压输出也很稳定。但唯一不足的是要扩大测温范围,需要牺牲测量精度为代价,原因在于:测温范围与灵敏度是相互制约关系,扩大测温范围,需要通过缩减测量精度来表现受热电阻制约的输出电压。实验中,主要测量25℃~100℃下,热电阻的输出特性，电阻与温度变化关系中的非线性项对实验影响较小，可以无需非线性补偿电路部分。