RTD Pt100的一種單電源信號調(diào)理電路 - 全文

　　摘要：介紹一種由單電源CMOS四運算放大器MCP604實現(xiàn)電阻式溫度傳感器Pt100的激勵和信號放大電路。其中，Pt100由MCP604中兩個放大器形成的浮動電流源激勵;采用3線制接入由運放組成的引線補償電路中進行引線補償：補償后的電壓信號由MCP604中另外兩個放大器構(gòu)成的放大電絡(luò)進行采樣放大。

　　1、引言

　　電阻式溫度檢測器（ResistanceTemperatureDecector、RTD）是一種電阻值隨溫度變化的傳感器，所以可通過測量電阻值來完成溫度測量。一般有3種方法測量電阻值：①歐姆表：②在恒電流激勵下測量電阻兩端電壓降；③在恒電壓激勵下測量流過電阻的電流。溫度傳感器電路中常采用方法②來完成溫度測量。電橋是最常用的方式，但其輸出信號與橋臂電阻是非線性函數(shù)關(guān)系，需要后續(xù)線性化處理，如采用硬件電路，或利用查找表的方法通過軟件來對結(jié)果進行修正。

　　本文提出丁一種非電橋的電蹄形式，不僅對傳感器進行恒定電流激勵，而且電路輸出信號與傳感器電阻值滿足線性關(guān)系。該電路應(yīng)用在“變電站運行監(jiān)測系統(tǒng)”中，實現(xiàn)對三路溫度信號的檢測，運行效果良好。

　　下面以其中一路溫度傳感器的激勵和采樣調(diào)理電路來進行論述。

　　2、電阻式溫度傳感器Ptl00

　　2.1、鉑溫度傳感器Ptl00概述

　　金屬鉑（Pt）的電阻值隨溫度而變化，并具有良好的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性。利用鉑的這種物理特性制成的傳感器稱為鉑電阻溫度傳感器，如Ptl00、Ptl000。它們不僅被廣泛應(yīng)用于工業(yè)測溫，而且被制成各種標準溫度計（涵蓋國家和世界基準溫度）供計量和校準使用。Pt100在-200℃～+850℃內(nèi)比熱電偶更精確、線性度更睦，兩端產(chǎn)生的壓降遠大于熱電偶的輸出，且不需要冷端補償。此外，Ptl00還具有抗振動、防腐蝕、良好的互換性、重現(xiàn)性和穩(wěn)定性等優(yōu)點，常應(yīng)用于低中溫測量。

　　Ptl00的電阻值與溫度的函數(shù)關(guān)系

　　2.2、溫度傳感器Pt100的應(yīng)用要點

　　Pt100在實際使用時，有以下應(yīng)用要點：

　?。?）選型應(yīng)根據(jù)實際使用溫度測量范圍、精度、尺寸及安裝固定方式口。

　?。?）允許流過的電流應(yīng)小于5mA。在進行電流源激勵Pt100（特別是采用電橋的電路形式）時，應(yīng)注意滿足該條件，否則會造成Pt100自熱而影響測量準確度。一般激勵電流采用lmA，甚至更小

　?。?）電路接入方式一般有兩線制、三線制和四線制，引出線示意圖如圖1所示。二線制時傳感器電阻值與連接導(dǎo)線電阻值共同構(gòu)成總的電阻值，所以導(dǎo)線電阻帶來的附加誤差會使實際測量值偏高，一般適用于低測量精度且引線較短的場合;三線制要求三根引線截面積和長度均相同，引線（正負線）電阻產(chǎn)生的影響才能相互抵消，，工業(yè)中一般都采用三線制;四線制用在測量精度高且變化很小的場合，因為在這些場合下引線電阻可能引入明顯誤差，這時可利用其中的兩條引線提供恒定電流，另兩條引線提供未知電阻的電壓降，，四線制也是常用方式。

　?。?）誤差。

　　溫度傳感器在測量過程中主要誤差來源有傳感器對分度表的誤差;絕緣不良引起的誤差;線路電阻引起的誤差;測量儀表的誤差以及傳熱誤差、動態(tài)相應(yīng)誤差、千擾誤差等。其中有些誤差只有在一定條件下才出現(xiàn)，并且可通過一定措施來減小或消除。本文除了采用三線制的接入方式來減小引線電阻的影響外，還采用了二階有源濾波放大電路來減小外部干擾所帶來的誤差。

　　3、單電源溫度測量的完整電路

　　由MCP604構(gòu)成單電源溫度檢測的完整電路如圖2，電路由精密浮動電流源、引線補償和二階低通有源濾波放大電路三部分組成。

　　3.1、精密浮動電流源

　　圖2中，精密浮動電流源由基準電壓VREF、MCP604A和MCP604B等構(gòu)成，形成恒定電流對Ptl00進行激勵。假設(shè)Ptl00的電流為I，兩端電壓降為VX，MCP604A同相端為vl。經(jīng)過MCP604A同相放大后則為V2，，根據(jù)模擬電路的知識得

　　I=VREF/IR3（3）

　　由此可知，激勵Ptl00的電流I為VREF與R3的比值。因此電流I為一定值。注意，在實際制作電路中，應(yīng)保證電流I《5mA。代入圖2中的參數(shù)，計算得到該恒定電流約為1.004mA，近似為1mA。

　　3.2、引線補償

　　在實際應(yīng)用中，測試系統(tǒng)置于室內(nèi)，而傳感器Ptl00置于室外的被測對象中，導(dǎo)致接入電路}均引線較氏，影響測量準確度除了采用低輸入失調(diào)電壓和低偏置電流的精密運算放大器外，還應(yīng)盡量減小引線電阻所引入的誤差。如圖2中虛線框所示，利用MCP604C構(gòu)成引線補償電路，Ptl00采用3線制與圖中的A、B和O點相連接。

　　如圖3所示，假設(shè)Ptl00的三根接入引線電阻分別為Rwl、Rw2和Rw3，浮動電流源激勵Ptl00的電流為I。

　　3.3、二階低通有源濾波放大

　　由于被測溫度是緩慢變化的，從而Ptl00的輸出信號也是緩慢變化的。采用如圖4所示的二階低通有源濾波放大電路來調(diào)理信號，能有效地濾除一些低頻千擾，使得輸出信號更平滑。根據(jù)圖中參數(shù)，可計算出截止頻率fo=10Hz。

　　4、結(jié)論

　　本電路主要用于“變電站運行監(jiān)測系統(tǒng)”的溫度檢測采樣。系統(tǒng)要求的溫度測量范圍為O℃一20℃、精度為土0.5℃，且監(jiān)測采樣三路溫度信號。采用MCP604單電源運算放大器后，每路Ptl00的激勵和信號采樣放大都由一片MCP604完成，且后續(xù)處理中無需線性補償就能滿足設(shè)計要求。與先前的產(chǎn)品相比，新產(chǎn)品的溫度采樣調(diào)理電路明顯地簡化，性價比也大大地提高了。