熱電阻傳感器原理及鉑熱電阻測溫系統的設計

     鉑熱電阻測溫電路的總體方案為:依據鉑熱電阻阻值的測量從而計算出（測量）實際的溫度。為了提高測量精度,減少誤差,采用三導線單臂電橋測量,測量電壓是毫伏級。為此測量電壓必須經過放大器放大后,才能輸入到微機A /D或V /F部分進行計算機處理,從而實現微機數字化溫度測量,提高測溫的準確性。
3.1　測溫電路的電源部分
    由于鉑熱電阻接在三導線單臂電橋,鉑熱電阻的單臂電橋需要電源供電,供電電壓UA = 5V。采用計算機進行測量,又需要提供微機整機電源。這樣需要提供兩套電源。為了提高測量溫度精度,減少對測溫電路的干擾,這兩套電源采用相互獨立的電源供電,電路如圖。UA = 5V為鉑熱電阻電源,U為微機電源。

測量電路
    工業測量用電阻溫度計,其阻值Rt 的變化是用電橋來測量的。在現場中,為了提高測量精度,減少非線性誤差,采用了三導線單臂電橋。見圖2。
 
圖2　三導線單臂電橋
    圖中電橋供電電壓UA = 5V。為了保證電壓精度,采用WR2 =Ω來調節電橋電源電壓UB ,使UB = 4V,WRt 為150Ω的滑線電阻,其目的在于保證電橋電路中當t = 0℃時,Ut = 0V,Ao為電橋獨立接地點。
    橋臂電阻R1 =R2 = 10KΩ,根據串聯電路特性求電橋a、b兩點的電位,即
Ua/Rt = UB/（R2 +Rt）
Ub/WR1 = UB/（WR1 +Rt）
則
Ua =UB Rt / （R2 +Rt ）          （3）
Ub =UBWR1 / （R1 +WR1 ）          （4）
由電橋初始平衡條件可得
R2/Rt = R1/WR1
即
R2 ×WR1 =R1 ×Rt
而
Rt = R0+ △Rt
由圖可知:
 
將R2 ×WR1 =R ×Rt , Rt = R0 + △Rt 及式（1）式入式（5）得
Ut =Ua - Ub =UB R1R0 （αt +βt2 ） /2αt2R0 + R0 + R2 ）（R1 +WR1 ）        （6）
式（6）中的Ut 為毫伏級。

3.3　電壓放大回路
    由于三導線測量的電壓U是毫伏級,而微機的A /D或V /F轉換需要5V電壓,為此測量電壓必須經過精密放大器的放大后,才能作為A /D或V /F轉換的輸入值。精密放大器電路如圖所示。
式（1）適合的溫度范圍為0～630℃代入式（ 6）中,得
Ut = 0. 084V。
如果放大后的Uf 以5V為上限,則放大倍數Kmax =5V /Ut = 5 /0. 084=59. 25,即放大倍數不能超過此值,反之,如果放大倍數取得太小,那么A /D 或轉換分辨力降低。因此,放大倍數應取30～50為宜,本文取K = 50。
 
圖3　精密放大器電路

3.4　微機測溫的計算
由于K = 50,則
Uf = KUt （7）
將式（7）代入式（6）并代入相應參數值,經過整理得
（1. 1604 - 0. 01172Uf ） t2 + （78. 942Uf - 7816. 04） t = 0           （8）
    式（8）即是本文所要推導的t = f （Uf ）的函數式。利用此式只要對A /D或V /F檢測出Uf 的值,可能計算出測量溫度值t = （ - b - b2 - 4ac） /2a。由于微機采用節節點浮點數進行計算,從而求出鉑熱電阻的實際溫度值。