一种双冗余热电阻/电压转换电路分析

摘要:针对一种产品中双冗余Pt热电阻温度传感器的转换电路分析的需求,首先,研究了Pt热电阻温度传感器的温度特性和测温原理;再采用orCAD/PSpice对转换电路进行了仿真分析,推导出转换电路的函数关系,对转换函数进行了计算分析,明确了电路输出电压与输入温度之间存在良好的线性关系;电路实验也验证了对转换部件分析结果的正确性;最后实现了产品的改进设计和工程应用。实际工程应用的结果表明,电路分析的结果正确,能有效指导测温转换电路的调试和检测。
　　热电阻是一种测温元件，它利用导体的电阻随温度变化的特性来测量温度，工业上被广泛用于测量中低温区-200-500℃的温度"。铂电阻在氧化性介质中,甚至在高温下,其物理、化学性能稳定,因此其不仅用作工业.上的测温元件，而且还作为复现温标的基准器。常用的方法是先测量铂电阻的阻值,再查分度表)換算得到对应温度值。文中所分析的产品使用了Pt50铂电阻作为温度传感器,其测量电路采用了阻容和放大电路对铂电阻两端电压进行变换，使转换电路的输出电压值与采样温度呈线性关系。根据项目需求,文中主要负责对传感器转换电路的工作原理和电路特性进行分析,弄清楚输入温度与转换电路输出电压之间的关系,同时能指导产品温度转换部件的生产调试和检测。为了进行电路分析,首先采用orCAD/PSpice对电路进行了仿真计算叨,理清电路的工作原理,再用传统的模拟电路分析方法0,对转换电路的工作原理进行分析。为了方便电路分析,专门搭建转换电路的实验板，配合电路的分析。
1热电阻/电压转换电路分析
1.1Pt铂电阻的温度特性与测温原理
　　根据铂电阻与温度的关系，在0~850℃范围内为:
 
　　由式(1)和(2)可见,Ro为基准值,其与材质、纯度和制造工艺水平有关，另一个对测温有直接作用的因素是Pt电阻的温度系数,即温度每变化1C阻值的相对变化量,它本身也随温度变化。根据分度号是用来反映温度传感器在测量温度范围内温度变化对应热电阻阻值变化的标准数列，即热电阻的电阻对应的温度值。常见的Pt热电阻的分度号有Pt10,Pt150,Pt100,Pt1000等，本文测温使用了Pt50号的热电阻。0~150℃范围内典型的分度表如表1所示，表中数据在后面分析时使用。
 
　　为了保证测量精度,热电阻接人转换电路时一般采用三线制接法和四线制两种接法，减少引出导线电阻对温度测量的影响。电路采用了近似的四线制接法。四线制接法的工作原理如图1所示
 
　　图1中,1为恒流源,V为电位差计,r4为热电,阻4根引线的电阻，在各自回路中无影响或可忽略不计。为了防止流经热电阻的电流(I)过大引起自热影响测量精度,1不宜超过6mA。
1.2热电阻/电压转换电路
　　热电阻/电压转换电路如图2所示。.
 
　　采用PSpice软件对图2所示的电路进行参数扫描仿真分析,分析的结果如表2所示。表2中,V,和Vn的电压为μV级,约等于0,而V。和Vm近似为反向电压跟随的关系。其中,Vx、Vy、Vn、Vp和Vw为电路中对应节点的电压。
　　再根据图2对电路工作原理进行理论分析。热电阻Rt以单端方式接人到一个普通的相加运算电路,Rt的下端(V,节点)在外部接信号地。由+12V电源(VDD)、R3和Rt组成了一个近似的恒流源电路,在R,两端形成电压差，在经过运算放大器反向电压跟随生成转换电路的输出Vm。电路的构成很简单，下面分析Vrw和Rt阻值之间的变换关系。
 
1.3双冗余二选一驱动电路
　　二选一与输出驱动电路由运放U1和U2、二极管D1和D2、PNP管Q1组成,如图3所示。
 
　　由图3与图2对比，不同之处主要在反馈点接在了Q1管之后,且同时反馈到两个运放,主要是为了配合D1和D2实现二选一且选高的作用。Q1主要是用于提高转换电路温度特性输出的驱动能力。
1.4信号调理电路
　　上述信号转换电路输出的幅值范围很小，为此采用了如图4所示的电路进行放大处理。
 
　　经过如图4所示的反向比例放大电路,将Rt/电压电路输出的-0.28~-0.46V范围的信号放大约12倍,得到传感器的温度特性输出,范围约3.5~5.5V。此外,采用PNP管提高电路的输出驱动能力以方便使用。该电路的转换函数为:
 
　　至此,，电路的工作原理分析完成，下面对电路的特性进行分析,并对分析的正确性进行验证。
2电路特性分析与验证
2.1电路特性分析
　　根据之前的分析结果，将Pt50铂电阻0~150℃范围内部分典型值进行输出特性分析,如表3所示。
 
　　表中,t一温度,Rt一热电阻对应阻值,△Rt一每10℃Rt的增量,Vrw一热电阻/电压转换电路输出△Vrw一每10℃Vrw的增量,Vrt一温度特性电路输出。
　　由表3可见,Vrw的幅值较低,范围也很小,但是从△Vrw栏来看,在0~150℃范围内，输出电压与输人温度之间有较好的线性关系:
 
　　再经过信号调理以后,灵敏度大幅提高。同时,也说明完全可以使用转换电路的输出电压Vrt代替输人温度参与后续的模拟计算。
　　为了实现转换电路的重复性，电路板设计时图3中R1*和R2*各由1对精密电阻实现,在调试时采用电位计或电阻箱确定总的电阻值，再在电阻系中选用2个电阻匹配得到实际焊装在电路板上的电阻。实际生产时以Vrm输出0V和6V以及Rt取75Ω时的输出电压作为选配电路中R1*、R2*的阻值依据,并对输出结果进行标定。选取的标定参数如表4.所示。
 
　　为了保证转换电路的精度，在产品的实际生产时，所有参与传递函数运算的电阻选用指定级别的精密电阻,其他选用普通电阻即可。
2.2电路测试
　　在理论分析的同时，还采用面包板搭建了该转换电路的实验板,配合理论分析结果的进行验证。项目分析完成之后,还完成了样机的生产。根据项目需求,使用电阻箱模拟Pt50温度传感器进行测试。表5为样机试制过程中测试记录的一组数据。首先,根据表4标定R1*的阻值为102.32kΩ,R2*阻值为102.10kΩ。其次,断开第二路电阻箱，测得第一路转换电路的典型参数。
 
　　表5中满量程取值为6V,测量精度都满足引用误差≤1%FS的技术要求，且实验测试与理论分析的结果相符。
3结束语
　　文中根据项目开发的需求,对一种双冗余Pt热电阻/电压转换电路进行了仿真分析和理论分析,并通过对所推导得出的转換函数进行计算分析，证明并验证了转换电路输出的电压值与采样温度之间有良好的线性关系，通过对实验电路板和样机的测试，验证了分析的正确性。实际工程应用情况表明,分析的结果完全能够指导产品生产，项目研究达到了预期目的。