三線制PT100溫度變送器

一、引言

前段時間看到一篇文獻(xiàn)《三線制 PT100 熱電阻測溫電路的設(shè)計》，作者：劉偉 李晶（相關(guān)文章后面貼在附件中）。里面介紹了利用運(yùn)放搭建恒流源給PT100熱電阻供電，利用三線制測量原理消除導(dǎo)線引入的誤差。

二、系統(tǒng)原理

PT100 傳感器和現(xiàn)場儀表之間連線會較長，接線的導(dǎo)線電阻將引入測量誤差， 因此在工業(yè)中常采用三線制消除導(dǎo)線引入的誤差。三線制測量原理如圖 1 所示。

測量時導(dǎo)線電阻為 rL1、rL2、rL3，三條導(dǎo)線采用同規(guī)格同長度，因此；RT 為 PT100 阻值，測 量 端 U1 點 U2 點 的 測 量 電 路 采用高阻抗輸入電路。 為測量 RT 的阻值，在 U1 端加入恒定電流I。

則電壓 U1 為：

U1=I×（rL1+RT+rL2）=I×（RT+2rL） (1)

由于 U2 測量端為高阻抗輸入端， 因此在導(dǎo)線上沒有電流流過，所以：

U2=I×rL3=I×rL (2)

由(1)式減去 2 倍的(2)式得：

U1-2U2=I×（RT+2rL）-2×I×rL=I×RL=Uab (3)

因此有：RT= （U1-2U2）/I (4)

在公式（4）中已經(jīng)消除了導(dǎo)線電阻 rL 對測量的影響，可以看出測量僅需要提供一個恒定電流 I，并測出 U1-2U2 即可。

三、三線制測量電路的設(shè)計

根據(jù)以上對三線制原理的分析，設(shè)計熱電阻三線制測量電路如圖 2 所示，電路由恒流源電路和差動放大電路兩部分組成。其中恒流源電路主要由電壓基準(zhǔn)芯片LM358-2.5和高精度運(yùn)放KTA2333以及三極管Q1、Q2組成。

恒流源電路由集成電壓基準(zhǔn)芯片LM385-2.5提供參考電壓 Ud=2.5V， 因此運(yùn)放的同相端③腳電壓為 5V-Ud； 根據(jù)運(yùn)放虛短特性可以得出 U1.1 反相端②腳的電壓也為 5V-Ud。 即三極管 Q1 的發(fā)射極電壓為 5V-Ud，而電流采樣電阻 R2 兩端的電壓一端為 5V，另一端接在了 Q1 的發(fā)射極，所以加在 R2 兩端的電壓實際為：5V-（5V-Ud）=Ud。 所以流過 R2 的電流即為 I=Ud/R1=2.5V/2.7K≈0.926mA。 根據(jù)運(yùn)放虛斷特性，R2 與 U1.1 反相端②腳之間是沒有電流流過的， 因此電阻 R2上的電流全部流入了三極管 Q1 的發(fā)射極，而復(fù)合三極管 Q1、Q2的 IC1=IE1-IB2，其 中 IC1=β1β2IB2，由 于 Q1、Q2 的 β 值 一般均在 100 以上，因此 IC1>10 000×IB2，因此可以近似認(rèn)為 IC1=IE1，誤差為 0.01%以下，可以忽略，所以三極管 Q1 集 電極電流就是發(fā)射極電流，并且在運(yùn)算過程中消除了電源電壓+5V 的影響，誤差僅與電阻 R2與電壓基準(zhǔn) U2 有關(guān)， 因此 R2 電阻要選擇溫漂較小的金屬膜電阻。

差動放大電路主要由運(yùn)算放大器 U1.2 以 及 電 阻 R3、R5~R9 組成，其輸入輸出傳遞函數(shù)如下：

Uo = (R9+R8)/R9 * [ (R6 + R7)/(R3 + R5) * R5/R6 * U1 - R7/R6*U2 ] = 11 * (U1 - 2U2)

RT = (U1-2U2)/I，I = Ud / R2

所以，RT = Uo/11/I = (Uo * 2700 )/ (11 * 2.5)

經(jīng)運(yùn)放 U1.2 差動放大后的信號經(jīng) R10、C4 進(jìn)行低通濾波后送的 AD 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)字化測 量即可， 根據(jù)測出的 RT 值查 找PT100 分度表并經(jīng)插值運(yùn)算即可得到溫度值。

為了提高測量精度，電路中運(yùn)算放大器選用常用的KTA2333低噪聲低溫漂精密運(yùn)算放大器。 它的輸入失調(diào)電壓小于 10μV，輸入偏置電流±100pA，輸入失調(diào)電壓±120pV,失調(diào)電壓漂移僅有 0.05μV/℃。

四、其他功能介紹

單片機(jī)采用STC的STC8H3K32S2-45I-LQFP32，該芯片具有12位的ADC，可以滿足本方案的采樣精度要求。并且在電路中增加TL431。用電位器調(diào)至準(zhǔn)確的2.5V后，經(jīng)單片機(jī)采樣后可以計算出電源電源，從而準(zhǔn)確的計算出PT100變送后的電壓值。

顯示部分采用的是TM1650可以驅(qū)動4位8段數(shù)碼管，進(jìn)行溫度顯示。

通信部分采用的是MAX485，通過RS485將溫度值實時打印。

電源部分，采用XL2009降壓芯片，輸入可以8V ~ 36V寬電壓供電。

五、調(diào)試過程

1、先檢測供電電源部分：+5V供電電源是否正常

2、驗證PT100電阻檢測部分電路精度

先測試PT100當(dāng)前阻值為111.0R

將PT100接到電路板上，測量經(jīng)運(yùn)放放大后的輸出電壓為1.13V，代入公式RT = Uo/11/I = (Uo * 2700 )/ (11 * 2.5) ，算出電阻值為110.9R。

查PT100分度表，誤差大概在0.25℃，硬件部分的精度可以滿足需求。

3、程序部分調(diào)試

這部分參照附件的程序代碼。（編譯環(huán)境是基于Keil C51 V9.00 + TKStudio V4.5.1）

六、成果展示

審核編輯 黃昊宇