Pt100热电阻的测温特性

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,其测量溫度可达到150℃以上,同时具备抑制温溧，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,0C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,2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,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。B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r=r2=rz),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(r)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:R,=R,(1+At+Bt²),其中R0为0℃电阻值,R0=100Ω,A=3.908x10^-3/℃,B=--5.775x10^-71℃。
　　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呈现出较好的线性关系,实验中,Pt100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℃的温度随热电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Rw2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;每个信号源的输入电阻均较小,回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人增益,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,在传统的电桥一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R3=R8,R5=R7,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,Rw2同样接人最人阻值,此时放人增益最小,通过式(3)、(4)和(5),整个差分放人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Pt100热电阻测温实验和改进的Pt100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Pt100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，“---”虛线为实际测量结果拟合直线,“一”实线为理论拟合直线。
 
　　传统Pt100热电阻测温实验中,实验测量数据对比理论输出值,此时95℃和105℃的输出数据有误,需删除95℃和105℃的输出数据,输出灵敏度非线性误差为140%,仅能说明在25℃~85℃实验数据具有较好的线性特征
　　改进的Pt100热电阻测温实验中，实验测量数据对比理论输出值拟合线良好，灵敏度0.156V/℃,非线性误差为。结合理论拟合直线图和实验数据非线性误差,考虑到实验电路存在--定的损耗,可认为该优化测温电路能正确地验证热电阻温度特性。
3.2改进前后Pt100热电阻温度检测的比较
在热电阻测温电路中,其灵敏度
 
　　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Uom=±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R0及上限温度的热电阻阻值Rr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Uom=±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P100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153℃;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
　　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。