关于Pt100型铂热电阻温度变送器的研究

摘要：提出铂热电阻温度变送器的线性校正和消除引线电阻对测温影响的一种方法,并给出了变送器的电路和设计方法。
　　Pt100型铂热电阻的测温精度高、稳定性好,是-200~+650℃温度范围内应用很广的一种电阻型温度传感器。然而,由于铂热电阻的电阻Rt和温度t之间的关系是非线性的,因此在设计变送器时必须进行线性校正。此外,对电阻型温度传感器,必须设法消除传感器引线电阻对测温的影响。就以上两方面的问题进行探讨,介绍有关电路和一般设计方法。
1.线性校正
　　Pt100铂热电阻在0~850C间,其电阻R;和温度!的关系为
Rt=R0(1+At+Bt²)（1）
　　式中R0一0℃时的电阻值,其值为100Ω
A=3.90802x10^-3℃^-1
B=-5.802x10^-7℃^-2
　　式中的R0B²为非线性项。由于B为负值,因此铂热电阻的单位温升的电阻变化率△Rt/△t随温度上升而减小,使Rt与t的关系呈现为图la所示的非线性曲线。当用一恒定电流IR流过Rt将电阻转换成电压时,如图1b的电路所示，这种非线性关系依然存在。为了消除Rt与t之间非线性关系,可设法在电压输出式上乘上一个1/(1-GRt)的因子。这个因子随Rt的增大而增大,以此来抵偿△Rt/△t随i上升而下降的趋势。适当选取G的大小,能在一定的温度范围内,把非线性误差降到一个很小的数值。1/(1-GRt)的因子可由图1c的互导放大器来获得,G就是该互导放大器的互导。这实质上是一个电压并联正反馈电路。对此电路有
 
2.G值的确定
　　如果选定的温度校正范围为0~tM,并要求校正后在0、tM和tm=tM/2三个温度点上的误差为零,并设对应于这三个温度点的R1分别为R0、RM和Rm,则根据U0t与t成线性的要求可以得到下面的方程:
 
　　式(4)是计算铂热电阻线性校正的一般公式。取.tM=650℃,则tm=325℃.按式(1)进行计算,或直接查P4100的Rt-t表,可以得到R0=100Ω,Rm=220.88Ω,RM=329.51Ω把得到的电阻值代人式(4)中,求得.G=0.422878mA/V.将此G值和不同温度下的R值代人式(2),求出-200~+700℃间每隔50℃的U01值,以及相应温度下的输出电压的理想值U01：
 
　　可以看出,校正后从-50℃到+700℃的最大误差不超过0.4℃,即使是-200℃到+700℃的900℃的宽范围内,最大误差亦不超过0.6%。
 
3.消除引线电阻对测温的影响
　　若采用图1c所示的二线制接线方法时,传感器到变送器间的引线电阻必然要影响测温精度。例如传感器釗变送器间的距离为50m,采用2x12/0.15的双芯电缆作为引线,其引线电阻约为8.8Ω,在测量温度为500℃时,将产生25℃的误差。当把二线制改为图2所示的四线制时(4根引线的电阻为ra、rb、.rc和rd).则去的输人阻抗1为极大,又采用电流源电路使从C点向左方看进去的输出阻抗r0为极大,则ra和rd的影响可消除。这就从原理上消除了引线电阻对测温的影响。
 
4.电路实现
　　图3是实现图2模型电路的变送器电路。图中UR为基准电压源,大小以6~9V为宜。变送器的主放大器为A1、A2和A/3构成一个差动式压控电流源。当电路满足R1=R2以及R3=R4时,其输出电流I0=(UR-U01）/R5.且输出阻抗为极大。A4为一单位电压跟随器,以使D点向下方看进去的输人阻抗为极大。将I0式与图1c及式(2)相比较,可以看出:10式中UR/R5就是式(2)中的IR,而l0式中的U01/R5就是式(2)中的1F=U01G,
即:R5=1/G(7)
因此,只要R5=1/G=1/0.422787mA.V^-1=2.365kΩ,
　　图3的电路就实现了图2的模型电路的功能。A5是一个反相放大器,它的作用是将U01的负电压变成正电压,同时通过RW1调节温度为0℃时的输出电压为零。调节RW2使温度在650℃时,输出电压为6.500V。电路的调试步骤:①调准R5=2.365kΩ;②令Rt=R0=100Ω,调RW1使U0=0.000V;③令Rt=R650=329.51Ω,调RW2使U0=6.500V。
5.实验结果与结论
　　图3电路中采用廉价的运放1M324及358,测试结果与理论计算十分吻合。当ra~rd由0变为200Ω时，测试结果不变。还根据这种原理而设计出从一100℃到+300℃温度范围内测温误差小于0.1℃的温度变送器,其中tM=100℃.G=0.38615mA/V,R5=2.590kΩ:
　　由此可见,这是一种成本低、调试简单，性能优良的铂热电阻温度变送器.具有实际使用价值。