|
作者：antonine 溫度是工作控制中非常重要的物理量，用于溫度測量的傳感器主要有熱電阻、熱敏電阻、熱電偶、半導體溫度傳感器等，這些傳感器各自有自己的特性與適用領域，設計人員必須根據自己特定的應用來選擇合適的傳感器。 
熱電阻(RTD)是使用細金屬絲纏繞在支架上，而構成的電阻阻值隨溫度變化的具有較高精度的溫度傳感器，工作溫度范圍為-200℃~+850℃。常見的RTD材料有鎳、銅、鉑等，其中又以100Ω(0℃時)鉑制熱電阻最為常見。由于鉑金屬的物理、化學特性都非常穩定，鉑電阻以精度高、長期穩定性好、重復性好、響應快速等特點得到廣泛應用。 下面公式描述了Pt100的溫度特性，從公式中可以看到Pt100的溫度與電阻特性顯然是非線性的，但與熱電偶、熱敏電阻相比，Pt100的線性度經好很多，因此非線性校正也比較
容易。早期的非線性校正多采用復雜的模擬電路實現，隨著電子技術的發展，目前在實際應用中，一般使用單片機進行查表結合插值的方法對Pt100進行非線性校正。 由于熱電阻是無源器件，在使用過程中需要外部激勵才能工作，在使用過程中必須注意激勵電流的大小要合適。電流過大會導致Pt100自身發熱，產生測量誤差，因此在設計過程中必須根據測量要求仔細設計信號調理電路，確保傳感器自身發熱產生的誤差在可接受范圍內。 一、為什么采用三線制、四線制接法 由于Pt100溫度系數只有0.385Ω/℃，如果傳感器與控制器之間距離較遠，需要較長的引線，那么由于引線電阻而產生的測量誤差可能會很嚴重。例如，現假設有一個Pt100通過100英尺(約30米)的30號銅引線與控制器相連，30號銅導線的電阻為0.105Ω/英尺，如果采用常規的兩根引線的接法，如下圖，則引線上共產生21Ω電阻，即相當于55 的測量誤差!
為解決這一問題，Pt100除了兩線制接法，還有三線制與四線制接法，來降低甚至消除引線電阻帶來的測量誤差。 二、恒流源激勵的兩、三、四線制接法 上文已經提到，Pt100是電阻式溫度傳感器，其溫度測量的本質其實是測量傳感器的電阻。通常的做法是將電阻轉換成電壓或電流等電信號進行測量，由單片機對測量結果進行線性化。一般Pt100進行溫度測量有兩種方案： 1. 設計一個恒流源通過Pt100熱電阻，通過檢測Pt100上的電壓來計算溫度; 2. 采用惠斯通電橋，電橋的四個電阻中有三個是恒定的，另外一個采用Pt100熱電阻，當Pt100的電阻值發生變化時，測試端將產生一個電熱差，由此電熱差來計算溫度。 另外還有一類稱為“比例法”的測量方法，可看做第一類測量方法的改進，后文將做詳細介紹。 兩線制恒流源激勵的接法如下圖所示，以恒流源輸出通過Pt100，測量Pt100兩端的電壓來換算成溫度，前面已經提到，這種接法在Pt100引線較長時會造成較大誤差。所以實際應用中更實用的是三線制與四線制接法。
四線制接法(開爾文接法)如下圖所示，將Pt100的激勵與測量端分別采用兩組不同的引線引出，由于電壓測量點在Pt100的引線連接處，所以引線激勵電壓不會對測量結果造成影響。 四線制接法以其高精度在實驗室溫度測量中得到廣泛應用，但是，由于成本、接線方便性等因素的制約，在工業控制現場，三線制的接法應用更加廣泛。
下圖為恒流源激勵的三線制Pt100的一種典型接法。其基本原理是假設Pt100的三條引線采用相同長度的同型線纜，具有相同的阻值，即下圖中Rw1=Rw2=Rw3，利用測量端(Rw2引線)對引線電阻進行補償。
具體來說，對于圖中接法，運放A3同相輸入端電壓 V+=Vpt100+VRw3，運放A3反向輸入端電壓V-=VRw1 + Vpt100 + VRw3 。基于Rw1=Rw2=Rw3的假設，有Vrw1 = Vrw3。則運放A3的輸出Vo = 2V+ - V- = Vpt100。即從理論上消除了引線電阻對測量結果的影響。 三、惠斯通電橋的兩、三線制接法 惠斯通電橋是Pt100的另一種常見接法，其兩線制接法如下圖所示，顯然當Pt100引線較長時，會引入較大誤差。
三線制Pt100惠斯通電橋接法如下圖所示，惠斯通電橋輸出公式如下式，如果選擇R3=Rpt100，即可從理論上消除引線電阻引入的測量誤差。
四、比例法測量中兩、三、四線制接法 比例法測量的本質是將Pt100與一參考電阻串聯，并施加一激勵源，由于流過Pt100與參考電阻的電流相同，則二者電壓比即為阻值之比。將參考電阻兩端電壓作為AD轉換器參考電壓，對Pt100兩端電壓進行AD轉換，則有
式中D為ADC轉換結果，N為ADC位數。 由于流過Pt100與參考電阻的電流相同，相比上面兩種結構，此電路對激勵源的要求比比較低。由于結構簡單，精密器件少，測量精度高等特點，比例法測量電路得到越來越多人的認可。 下圖為比例法兩線制Pt100接法，顯然當Pt100引線較長時，會引入較大誤差。 在這個電路中可以將兩線制Pt100直接用四線制Pt100替換，改為四線制接法，消除引線誤差。
下圖為比例法三線制Pt100接法，采用兩個輸出相等的恒流源對引線電阻進行補償。
|
