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(多图) 基于铂RTD的电路使用很少的元件来提供高性能

Jordan Dimitrov?? Toronto?? ON?? Canada?? 2008年12月01日 ?? 收藏0

  RTD传感器的标准使用方式是把它包含在后接一个差分放大器的桥路中。问题在于,两个非线性因素(一个来自传感器,一个来自桥路)会影响传递函数。一些方法试图避免这个问题,但它们往往既庞大又昂贵(参考文献1、参考文献2、参考文献3)。某种备选电路建议只给差分放大器添加一个额外电阻,但它既未提供设计指导原则,也未提供结果(参考文献4)。本设计实例填补了这个空白。虽然电路分析有些复杂,但性能很好,并且该电路使用的元件很少。

图1该普通RTD电路需要的元件很少

  除了铂RTD(R?Θ)以外,该电路只有6个精密电阻、1个运算放大器、1个电压参考(图1)。R4是差分放大器的额外电阻,向传感器交付额外电流,它与正在测量的温度有关。借助恰当设计,该电路可在多种输入温度提供良好的线性和稳定性。输出电压VO按以下方式依赖于电路元件:

  其中YI=1/RI,I=0 至 4。

  对于正温度,以下形式的二次多项式可近似表示RTD特性:

  其中R0是0℃时的传感器电阻,α和β是系数,Θ是被测温度。首先替换第二个方程,并做一些变换后,得到:

图2函数f的一般形状随温度变化

  其中B、C、K是常数,f(Θ)是温度的函数。图2描绘了f(Θ)的一般形状。当f(Θ)尽可能接近于常数时,输出电压以线性关系依赖于温度。这种情况在f(Θ)的极小点周围最正确。一些额外的关系规定输出电压在0℃时为0V,转换系数为10 mV/℃,函数f(Θ)的最小值在测量范围中心,流过RΘ的电流导致的传感器自热可忽略不计。

图3整个电路需要微调电位器VR1和VR2来分别调节0和范围并且需要一根三引线电缆来连接传感器RC是电缆电阻

  图3描绘了符合这些要求的电路。传感器为DIN-IEC 751铂RTD。Microsoft Excel软件从该RTD的校准表拟合了13个点,范围是0至600℃,步长为50℃。该电子数据表软件确定R0的值为100Ω,α的值为3.908×10–3(℃)–1,β的值为5.801×10–7℃–2,R2因子为1。

公式


公式

公式

  电路所有电阻的公差为0.02%,温度系数为50 ppm/℃。可使用两个微调电位器VR1和VR2来独立调节0读数和范围读数。应该在550℃执行范围调节,以便匹配正误差和负误差的大小。在不超过基本非线性的前提下,还可扩展温度范围,使它不从0℃开始,而是从–100℃开始。通往传感器的三引线连接明显减轻了连接电缆电阻RC对准确度的影响。

表1实验结果

  表1描述了该电路性能的评估结果,采用了校准的精密十进制电阻、校准的4.5位万用表(读数环境温度为24℃和68℃)、±12/±15/±18V电源、0/5Ω电缆电阻。

参考文献
1. Bryant, James, Walt Jung, and Walter Kester, Op Amp Applications, Analog Devices, 2002.
2. Villanucci, Robert S, “Design an RTD interface with a spreadsheet,” EDN, 2008-2-7, pg 57.
3. Moghimi, Riza, “Low-error platinum RTD circuit has shutdown capability,” EDN, Sept 14, 2000, pg 186.
4. Gutnikov, VS, Integrated Electronics in Measuring Devices, Leningrad, 1980.


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RTD? 传感器?

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