【導讀】溫度是非常重要的物理參數，熱電偶和熱敏電阻(RTD)適合大多數高溫測量，但設計人員必須為特定的應用選擇恰當的傳感器。本文回顧了通用溫度傳感器的主要特性，重點(diǎn)介紹RTD PT100溫度傳感器，并提供了一種簡(jiǎn)單的方法對PT100輸出信號進(jìn)行線(xiàn)性化處理和調理。
表1提供了常用傳感器的選擇指南。
表1. 傳感器特性
RTD具有較高的精度，工作溫度范圍：-200°C至+850°C。它們還具有較好的長(cháng)期穩定性，利用適當的數據處理設備就可以傳輸、顯示并記錄其溫度輸出。因為熱敏電阻的阻值和溫度呈正比關(guān)系，設計人員只需將已知電流流過(guò)該電阻就可以得到與溫度成正比的輸出電壓。根據已知的電阻-溫度關(guān)系，就可以計算出被測溫度值。
電阻值隨溫度的變化稱(chēng)為“電阻的溫度系數”，絕大多數金屬材料的溫度系數都是正數，而且許多純金屬材料的溫度系數在一定溫度范圍內保持恒定。所以，熱敏電阻是一種穩定的高精度、并具有線(xiàn)性響應的溫度檢測器。具體應用中選用哪一種金屬材料(鉑、銅、鎳等)取決于被測溫度范圍。
鉑電阻在0°C的標稱(chēng)電阻值是100Ω，盡管RTD是一種標準化器件，但在世界各地有多種不同的標準。這樣，當同一標準的RTD用在不同標準的儀表設計中時(shí)將會(huì )產(chǎn)生問(wèn)題。
表2. 鉑電阻RTD的公共標準*
*Sensing Devices, Inc.生產(chǎn)滿(mǎn)足上述標準的鉑電阻RTD。
鉑金屬的長(cháng)期穩定性、可重復操作性、快速響應及較寬的工作溫度范圍等特性使其能夠適合多種應用。因此，鉑電阻RTD是溫度測量中最穩定的標準器件。以下公式描述了PT100 RTD的特性，顯然它的溫度與電阻呈非線(xiàn)性關(guān)系：
RT = R0(1 + AT + BT² + C(T-100)T³)
其中：
- A = 3.9083 E-3
- B = -5.775 E-7
- C = -4.183 E-12 (低于0°C時(shí))或0 (高于0°C時(shí))。
表3是表格形式。
表3. 電阻/溫度表**，385鉑電阻，0°C時(shí)為100.0Ω
**RTD PT100表顯示了電阻與溫度之間的對應關(guān)系。
圖1. 2線(xiàn)連接時(shí)，由于引線(xiàn)電阻與RTD串聯(lián)，增大了電阻，會(huì )最終影響測量精度。
圖2. 為RTD額外增加了第3條線(xiàn)，能夠對線(xiàn)電阻進(jìn)行補償。引線(xiàn)電阻具有相同特性。
圖3. 3線(xiàn)方案可以實(shí)現Kelvin檢測，消除了兩條連線(xiàn)的壓差。
具體應用中，PT100 RTD的連接方式可以采用2線(xiàn)、3線(xiàn)或4線(xiàn)制(圖1、2和3)。有多種模擬和數字的方法進(jìn)行PT100 RTD的非線(xiàn)性誤差補償，例如，可以利用查表法或上述公式實(shí)現數字非線(xiàn)性補償。
查表法是將代表鉑電阻阻值與溫度對應關(guān)系的一個(gè)表格存儲在µP內存區域，利用這個(gè)表格將一個(gè)測量的PT100電阻值轉換為對應的線(xiàn)性溫度值。另一種方法是根據實(shí)際測量的電阻值，采用以上公式直接計算相關(guān)的溫度。
查表法只能包含有限的電阻/溫度對應值，電路的復雜程度取決于精度和可用內存的空間。為了計算某一特定的溫度值，需要首先確認最接近的兩個(gè)電阻值(一個(gè)低于RTD測量值，一個(gè)高于RTD測量值)，然后用插值法確定測量溫度值。
例如：如果測試的電阻值等于109.73Ω，假設查詢(xún)表格精度為10°C，那么兩個(gè)最接近的值是107.79Ω (20°C)和111.67Ω (30°C)。綜合考慮這三個(gè)數據，利用下式進(jìn)行計算：
以上數字補償的方法需要微處理器(µP)的支持，但是采用圖4的簡(jiǎn)單模擬電路可以獲得高精度的非線(xiàn)性補償。該電路在-100°C時(shí)輸出電壓為0.97V，200°C時(shí)為2.97V。實(shí)現更寬范圍的測量時(shí)，例如：-100mV @ -100°C到200mV @ 200°C，需要增加合適的增益調節(量程)電路和偏移(失調)控制。
圖4. 該模擬電路對RTD進(jìn)行線(xiàn)性化補償。
這種方法利用電阻R2的少量正反饋作用實(shí)現PT100的非線(xiàn)性補償，該反饋環(huán)路對應于較高的PT100阻值時(shí)輸出電壓略有提高，有助于傳輸函數的線(xiàn)性化處理：
圖5表示PT100實(shí)際輸出和最接近的直線(xiàn)：y = ax + b，圖6畫(huà)出了經(jīng)過(guò)模擬非線(xiàn)性補償的PT100輸出和其最接近的直線(xiàn)。每個(gè)圖都給出了溫度和電阻之間的關(guān)系式，與圖4電路的輸出計算值相比較。圖7、圖8所示為PT100在補償前和補償后的誤差。
圖5. PT100的原始輸出與其近似直線(xiàn)
圖6. 經(jīng)過(guò)模擬補償的PT100輸出與其近似直線(xiàn)。
圖7. 歸一化誤差，表示溫度變化時(shí)PT100原始輸出于其近似直線(xiàn)之間的偏差。
圖8. 歸一化誤差，表示經(jīng)過(guò)圖4電路線(xiàn)性化補償后，溫度變化時(shí)PT100輸出于其近似直線(xiàn)之間的偏差。對圖7、圖8進(jìn)行歸一化處理有助于觀(guān)察圖4電路的性能。
在實(shí)際應用中我們常常需要校準模擬溫度計，但一定要盡量減少調節和控制環(huán)節，通常只需在兩個(gè)PT100點(diǎn)校準零點(diǎn)失調和滿(mǎn)量程誤差。這種方法需要保證PT100的電阻和溫度呈線(xiàn)性關(guān)系，但實(shí)際情況并非如此。
如果只在PT100阻值和溫度之間對傳輸函數進(jìn)行線(xiàn)性補償，上述模擬補償方式可有效降低80%的誤差。需要注意的是，PT100較低的功耗(0.2mW至0.6mW)能夠減小傳感器自身的發(fā)熱。因此，采用模擬方法實(shí)現PT100的非線(xiàn)性補償很容易實(shí)現與±200mV面板表的連接，不需要任何額外的軟件開(kāi)銷(xiāo)。
圖9. 數字方案：ADC在µP控制下將RTD輸出轉換成數字量，然后，通過(guò)查找表由µP計算相應的溫度。
數字非線(xiàn)性補償電路(圖9)由RTD、誤差放大器、電流源以及µP控制的ADC組成。通過(guò)向熱敏電阻注入1mA至2mA的電流，然后測量它在熱敏電阻上產(chǎn)生的電壓進(jìn)行溫度測量。采用大的注入電流會(huì )導致功率耗散增大，使傳感器自身發(fā)熱、導致測量誤差增大。圖中模數轉換器內部的 4.096V電壓基準簡(jiǎn)化了電流激勵源的設計。
為了減小導線(xiàn)電阻對測量精度的影響，采用四條獨立的導線(xiàn)連接RTD和差分放大器。因為采用了高輸入阻抗運算放大器，所以導線(xiàn)電阻引入的電壓跌落幾乎為零。按照4096mV的基準電壓和3.3kΩ的反饋電阻，激勵電流近似等于4096mV/3.3kΩ = 1.24mA。 因為采用同一個(gè)基準電壓源驅動(dòng)ADC和電流源，所以基準源的溫漂誤差不會(huì )影響測量結果。
如果配置MAX197的輸入范圍為0V至5V，并且設置差分放大器增益等于10，可以測量的最大阻值為400Ω，對應的最高檢測溫度為+800°C。µP也可以同時(shí)使用查表法對傳感器測量信號進(jìn)行線(xiàn)性化處理，采用兩個(gè)精密電阻替換圖中的RTD (0°C時(shí)采用100Ω，滿(mǎn)量程或更高時(shí)采用300Ω)，可以對該電路進(jìn)行校準。
本文來(lái)源于Maxim。
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