基于铂电阻温度传感器设计电路及原理.pdf

基于铂电阻的温度传感器设计电路及原理

温度是过程检测与控制中的重要参量,在要求对温度进行精确测量

和控制的条件下,铂热电阻是一种应用广泛的温度传感器,它具有体积小、

准确度高、测温范围宽、稳定性好、正的温度系数等特点,但它同时也存在

非线性的缺点,因此在利用铂热电阻进行精确温度测量时,除要克服测量电

路自身的噪声干扰外,还要对铂热电阻的非线性进行矫文根据铂电

阻(Pt100)国际分度表函数的非线性特点,提出了一种在0～650℃范围内

补偿其非线性的方法,设计了的非线性补偿电路,在对电路补偿原理及

效果进行理论分析和计算机模拟仿真的基础上,实际制作了该非线性补偿

电路,并进行了现场测试.

2.铂电阻Pt100的非线性特点及补偿思路

按照国际电工的铂热电阻技术标准，铂电阻PT100在0～650℃范

围内的符台ITS-90的国际分度表函数Rt，可用下式表示：

Rt=R0(11+At-Bt2)(1)

其中：Rt，R0分别是t℃和0℃时的铂电阻阻值，R0=100Ω，

A=3.90802×10-3℃-1；B=5.80195×10-1℃-1。该分度函数的特点是覆盖温

度范围宽精度高，以广泛使用的分度值(以10℃为间隔)来作比较，可以看

出，在0～650℃范围内二阶拟合值；实际标称阻值的最大绝对误差为

0.0049Ω，平均绝对误差为0.0026Ω，这时的最大相对误差仅为

1.487×10-6，因此该二阶拟合函数完全可以满足高精度测量的要求，但由

于函数中存在非线性项Bt2，因此随着温度的升高，铂电阻的非线性越来越

严重，如图1所示。非线性项系数小于零，说明电阻的变化率随着温度的

升高而下降，要消除铂电阻非线性对测量输出的影响，就需要设法补偿在

不同温度点时由于电阻的变化率下降而导致测量输出信号减小或增加的部

分下。下面以恒流源激励，电压信号输出测量为例，来说明本文的补偿思

想。

设用恒流源I0来激励铂电阻，通过测量铂电阻两端的电压来实现温

度测量，则在t℃时铂电阻两端的输出电压为：

Vt=I0Rt=IoR0(1+At-Bt2)（2）

如果没有非线性项Bt2存在，输出的电压应为：

Vt=I0Rt=I0R0(1+At)（3）

可见由于非线性项Bt2存在，使得实际的输出与线性输出相比小了I0R0Bt2，

这时我们自然想到可以通过增加激励电流来增加电压输出以抵消它，假定

在t℃时让激励电流增加△It，这样输出电压将增加：

△Vt=△ItRt=△ItR0(1+At-Bt2)(4)

令△Vt=IoR0Bt2，得到：

(5)

因此从理论上看，只要使通过热电阻的激励电流按

(6)

取值，则可以消除输出电压与温度之间的非线性，但由于t是未知的待测

参量，所以电路实现时只能通过动态反馈的方式来实时调整通过热电阻的

激励电流。

3.PT100线性化调理电路设计

根据上述补偿思想，设计的补偿电路如图11所示，通过动态调整流

过Pt100的电流来实现电压输出非线性的补偿，同时考虑到热电阻的安装

需要较长的导线，因此设计的电路也兼顾引线补偿功能，下面对本电路的

工作原理给以分析说明。

设电路中各节点与支的电学参量如图11所示，对运算放大器U1有：

V1=V-I2R2，V2=V-I4R4，V3=1/2V1，V2=V3

由此得到：

V=2I4R4-I2R2(7)

根据电流关系和虚短原理有：

I=I2+I4，I4=0(8)

对于热电阻的三线制连接引线电阻有

R2=R3=R4=r（9）