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可支持电阻温度检测器的高精度接口

高工
2007-09-04 23:12:52    评分

电阻温度检测器(RTD)属于温度传感器的一种,可以利用金属电阻会随着温度高低不同而出现相应变化这一物理特性测量温度,其应用范围非常广泛,例 如用以测量及控制温度的许多仪表都采用这种检测器。这些测量仪表电路都采用100Ω的白金电阻温度检测器(PRTD),目前市场上还有多种不 同的白金电阻温度检测器可供选择。以超过0℃的温度环境来说,白金电阻温度检测器的电阻温度转换函数大约可以利用公式1列出,公式中的T指温度。

  ---电阻温度检测器电阻RRTD= (100 + 0.39083T-0.00005775T2)Ω (1)

  ---白 金电阻温度检测器接口电路有助减低信号调理元件出现的误差,电路如图1所示。LMP2011芯片是高增益而补偿电压接近零的高精度放大器,LM4140A -2.500则是已微调的低漂移电压参考电路,其误差不超过0.05%,电压漂移则不会超过10×10-6/℃。用户只要采用这两款芯片再搭 配几个高精度电阻,便可组装出准确而又稳定的温度计。

 


  ---图1 的电路最适宜采用4引线白金电阻温度检测器,目前采用的众多配置之中也以这款设计最为准确。4引线白金电阻温度 
检测器设有Kelvin连接动力引线及传感 引线。图1中的W1及W4这两条引线属于动力引线,负责将电阻温度检测器连接到恒流电源。另外两条引线W2及W3属于传感引线,负责将电阻温度检测器的电 压连接到放大器。这个设计可将负责驱动电阻温度检测器的恒流电源与测量电路分开,其优点是,测量电阻温度检测器的电压时,即使W1和W4引线出现压降也不 会影响测量数字的准确性。

  ---下面解释为何引线会造成测量上出现误差。假若探头采 用3m长的24级铜线,而这条导线将电阻与测量仪表连接一起,那么引线的电阻可以用下式计算出来:2×3m× (0.0857Ω/m) = 0.514Ω。若温度为0℃时,电阻温度检测器的电阻会按照0.39Ω/℃这个升降率而转变,令引线产生以下的温度误差: 0.514Ω/(0.39Ω/℃)=1.31℃。温度越高,误差也就越大。若温度为400℃,白金电阻温度检测器的电阻会按照 0.35Ω/℃这个升降率而转变,令引线产生以下的温度误差:0.514Ω/(0.35Ω/℃)=1.46℃。

  可以激励电阻温度检测器的其他电路

  ---图2 和图3的电路是另外两个可以用来激励白金电阻温度检测器的设计方案。图2的电路利用恒压电源及串行电阻设定流入白金电阻温度检测器的电流,并为不同的温度 各自设定不同的电流值。以这个示例来说,温度为0℃时,电流则设定为1mA(2.5V/(100Ω+2400Ω)= 0.001A)。这个计算方法没有将W1及W4引线所产生的电阻计算在内。经过分压器分压之后的W2及W3传感引线电压可以利用公式2计算出来。

 

 

 

 

  ---VPRTD=VR×((RPRTD+2400Ω)/RPRTD) (2)

  ---图3的电路采用恒流电源。只要引线压降、白金电阻温度检测器及R8电阻所产生的总电压不超过A1放大器的最高输出摆幅,1mA的电流便会流入白金电阻温度检测器。传感引线W2及W3的电压可以用式3计算出来。

  ---VPRTD=0.001×RPRTD (3)

  ---图4利用图表方式比较这两种不同电路设计的性能。曲线1是输出恒流驱动电流的VPRTD,而曲线2则是输出恒压驱动电流的VPRTD。由于分压器的关系,恒压驱动电流的线性表现会受到一定的影响,以致其实际表现会增添一些非线性的特性。

 


  恒流激励器

  ---恒流电源供应器由放大器1(即LMP2011高精度放大器)、R8电阻及2.5V LM4140参考电路组成。恒流值可以用公式4计算出来。

  ---IRTD= Vref/R8 (4)

  ---若 以图1的数值代入计算,恒流值则为IRTD=2.5V/2500Ω=1mA。一般来说,1mA的电流已够低,不会令白金电阻温度检测器的内部 过度受热,因此可将因温度上升而产生的误差减至最少。输入电阻温度检测器的电流必须高低适中,电流量一方面要够强,足以提高温度传感器的灵敏度,但另一方 面又不能太高,以免电阻温度检测器因内部受热过度而出现太多误差。介绍电阻温度检测器特性的产品数据表一般都会提供相关的技术参数,并详细列出在不同的情 况下检测器的内部温度会上升多少。只要改变R8的电阻值,便可使用其他的恒流值。R8电阻会直接影响电源供应的准确度,而电源供应的准确度应该高于温度测 量数字所要求的准确度,而且其稳定性也不应该受温度变化的影响。

  ---若要确保R8电阻能够充分发挥其性能,可以采用已封装微调的薄膜电阻阵列,例如,可以先将4个10kΩ电阻并行连接一起,然后装载在同一封装内,组装成一个准确的2.5kΩ电阻。

 信号放大器

  --A2、A3和A4三个放 大器可以组装一起,成为仪表测量放大器。以这一电路为例来说,应用的温度范围是0~700℃,因此这个温度范围之内的电阻便应该介于 100~345.28Ω之间。若输入电流为1mA,传感引线的电压会在0.10~0.34528V的范围内波动。再假设LM4140A- 2.500电压参考电路也为模拟/数字转换器提供电压参考,而白金电阻温度检测器的信号则调高至其满标度的2.5V,那么仪表测量放大器必须提供的增益则 等于2.500/0.34528=7.2405。仪表测量放大器的整体增益可以用公式5计算出来,但必须受R3=R1、R4=R2及R6=R5这三个前提 限制。


  ---Av=(1+2R5/R7)(R1/R2) (5)

  ---由 于要求的增益较低,因此所有增益都来自第一级放大器,而且这方面的增益可以利用R7的电阻值加以控制。由于增益可以加以设定,因此其他电阻也必须采用相同 的电阻值。R1、R2、R3、R4、R5及R6等电阻的电阻值应互相参照调校,以便尽量缩小彼此的差距。这些电阻最适宜用来组装微调薄膜电阻组,其优点是 各电阻在有需要时可以加以互相参照调校,确保 
彼此的差值不会超过0.01%。R7的电阻值可以用公式6计算出来。

  ---7.2405=(1+2(10kΩ)/R7)(10kΩ/10kΩ) (6)

  ---这里,R1、R2和R5均为10kΩ,计算得出R7=3.2049kΩ。

  ---上述电路可为100Ω的白金电阻温度检测器提供一个功能齐备的信号调理解决方案。其他的电阻传感器只要将电源供应及测量仪表放大器的增益稍加调节,便可采用相同的电路。对于其他类型的电阻温度检测器,需要对有关数值加以调整,以便能支持所需的功能。





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