基于鉑電阻的高精度溫度檢測電路

在自動控制系統中,經常需要對溫度進行檢測,用鉑電阻作為傳感器是工程中常用的一種檢測方法。要獲得高精度的檢測結果,一方面要采用正確的檢測方法;另一方面要有好的檢測電路,而且電路調試要簡單。本文介紹的兩種基于鉑電阻的溫度檢測電路具有精度高、調試容易,對器件的要求不高,是實用的高精度溫度檢測電路。

2　電路結構及工作原理

本文介紹電橋型溫度檢測電路和電流源型溫度檢測電路。

2.1　電橋型溫度檢測電路

圖1所示的電路為電橋型溫度檢測電路。

圖1中REF02是AD公司的精密參考電壓源,輸出為+2.5 V,即VREF= VD=+2.5V,故VA= VD(1+R2/R3)=+2.5(1+R2/R3)。圖中R(1+δ)為鉑電阻的阻值,其中R為鉑電阻在0℃時的阻值;δ=ΔR/R;VB=-R(1+δ)VA/R4,則有:

V0= R1VAδ/R4

由此可知,該電路的輸出電壓與鉑電阻阻值的變化δ(或ΔR)呈線性關系。該電路的另一個優點是調試非常簡單,在R和R4確定后,只需根據輸出電壓Vo的變化范圍確定R1的阻值即可。

電流流過鉑電阻將會引起鉑電阻溫度升高,稱其為自加熱現象,從而帶來一定的測量誤差,為了減小這種誤差,必須減小流經鉑電阻的電流,可以通過減小A點的電壓和適當選取R4的阻值實現。而A點電壓由參考電壓VREF和R2/R3的值共同決定,因此,應選擇輸出電壓比較低的參考電壓源(圖1中選2.5 V),此外R2/R3的值也要比較低。在制作PCB時,地線要安排好,我們曾經在一個應用中發現輸出有20 mV左右的漂移,而且漂移很不穩定,后經改善A2同相輸入端的接地,故障排除。

該電路中鉑電阻引線引入測量誤差,可以通過在電橋R支路中串入與引線電阻阻值相當的電阻消除。

2.2　電流源型溫度檢測電路

圖2是另一種基于鉑電阻的精密溫度檢測電路,圖中R為鉑電阻,采用3線接法,其中RW1、RW2和RW3分別為鉑電阻的3根引線,VREF為精密參考電壓源的輸出。

A1、A2、RREF和VREF構成1 mA的精密電流源,A3構成溫度檢測電路,A4構成二階低通濾波器。圖2中的電路略顯復雜,但輸出電壓與鉑電阻R之間的關系非常簡單:

VOUT= R(1+R4/R3)×10-3

很顯然,輸出電壓VOUT與鉑電阻R之間呈線性關系。

這一電路的特點:①輸出電壓VOUT與鉑電阻之間呈線性關系;②在推導中雖然考慮了鉑電阻的引線RW,但在輸出電壓的表達式中并未出現RW,說明該電路通過其特殊結構消去了引線RW對測量帶來的誤差;③可以方便地通過調節R4和R3的比值調節電路的增益。

3　電路應用中應注意的問題

上述兩電路以其良好的性能解決了基于鉑電阻的高精度溫度檢測問題。我們在多個科研課題中采用上述兩個電路進行高精度溫度測量,都得到了良好的結果,故將這兩個電路推薦給大家。在應用中應注意以下幾個問題:

(1)對于圖1所示的電路,運算放大器應選用輸入阻抗高、零漂較小的產品,對電橋中的電阻要精確挑選。

(2)在圖2電路中,為減小鉑電阻自加熱帶來的測量誤差,電流源的電流不宜過大,一般不要超過1mA。低通濾波器的截止頻率和增益可根據應用系統的要求選定。另外在制作PCB時,地線要合理安排。

4　結　論

本文介紹的兩種基于鉑電阻的高精度溫度檢測電路與常用的一些檢測電路相比,具有精度高、性能穩定、調試簡單、對元器件要求不高、實用性強的特點,能夠滿足高精度溫度檢測的要求。