三线制PT100热电阻测温电路的设计

摘要:本文详细阐述了三线制PT100热电阻温度测量原理，并设计了PT100 三线制温度测量电路，在硬件电路上消除了导线对测温的影响,详细分析了电路原理并给出计算过程，电路简洁实用、测量精度较高。
工业中经常要对温度信号进行测量，而PT100测温范围在-200~850℃之间，并且具有较好线性度，测温正确,因此在供热、电力以及石油化工等领域被广泛的应用。
1系统原理
　　热电阻是根据电阻的热效应阻值随温度的变化而变化，因此,可以根据其阻值测量温度,常用的热电阻有P100、PT50以及Cu50等,其中以P100应用最为广泛。
在实际中PT100传感器和现场仪表之间连线会较长,接线的导线电阻将引入测量误差，因此在工业中常采用三线制消除导线引人的误差。三线制测量原理如图1所示。

　　测量时导线电阻为rLl、rL2、rL3,三条导线采用同规格同长度,因此;RT为PT100阻值,测量端U1点U2点的测量电路采用高阻抗输人电路。为测量RT的阻值,在U1端加入恒定电流I。则电压U1为:

　　根据以上对三线制原理的分析,设计热电阻三线制测量电路如图2所示,电路由恒流源电路和差动放大电路两部分组成。
　　其中恒流源电路主要出电压基准Ul、运算放大器U2与二极管Q1.Q2以及外围阻容元件组成。恒流源电路由集成电压基准芯片LM385-2.5提供参考电压Ud=2.5V,因此运放的同相端③脚电压为5V-Ud;根据运放虚短特性可以得出U2反相端②脚的电压也为5V-Ud。即二极管Q1的发射极电压为5V-Ud,而电流采样电阻R1两端的电压- -端为5V,另-端接在了Q1的发射极,所以加在RI两端的电压实际为:5V-(5V-Ud)=Ld。所以流过R1的电流即为。根据运放虚断特性,R1与U2反相端②脚之问是没有电流流过的，因此电阻R1上的电流全部流人了三极管Q1的发射极, 而复合三极管Q1.Q2的I_C1= I_E1- I_B2,其中I_C1=β1β2IB2,由于Q1.Q2选用9015的β值般均在100以上，因此I_C1>10000xI _B2,因此可以近似认为I _C1= I_E1,误差为0.01%以下，可以忽略,所以三极管Q1集电极电流就是发射极电流,并且在运算过程中消除了电源电压+5V的影响,误差仅与电阻R1与电压基准U2有关，因此R1电阻要选择温漂较小的金属膜电阻。
差动放大电路主要由运算放大器U3以及电阻R4~R9组
成,其输人输出传递函数如下:

　　经运放U3差动放大后的信号经R10,C3进行低通滤波后送的AD转换器进行数字化测量即可，根据测出的RT值查找PT100分度表并经插值运算郎可得到温度值。
　　为了提高测量精度,电路中运算放大器选用常用的0P07低噪声低温漂精密运算放大器。它的输人失调电压小于25μV ,输人偏置电流低小于±2nA，失调电压漂移仅有0.5μV/C。

3结论
　　此PT100三线制温度测量电路已经应用与在多个测温仪表以及RTU当中，实践表明，电路简单，调试方便、测量精度较高,电路可靠,到达最初设计要求。