RTD基本电路

出处:维库电子市场网时间:2024-09-12

  RTD 一般用于桥式电路,如图1所示。

  图 1包含 RTD 的电桥产生与温度相关的电压输出,但通常具有偏移 0°C 点。

  R1 和 R2 为 RTD 和 R3 提供电流,R3 的电阻大约为 RTD 的平均值。这样,跨桥电压几乎与温度成正比,但存在偏差。请注意“几乎”这个含糊其辞的词!要使传感器电阻和温度之间保持的线性关系,R1 和 R2 必须是无穷大,这意味着驱动电压无穷大,这毫无用处——或者可以用匹配的电流源代替它们,如图2所示。

  图 2在桥中使用匹配电流源可使温度和输出之间呈现线性关系,并帮助我们定义 0 °C 的参考点。仔细选择电流可使桥输出达到 1 mV / °C。
  PT100 RTD 使用(掺杂的)铂丝或铂膜,其电阻定义为 0°C 时为 100 Ω,100°C 时为 138.5 Ω。如果桥的每个支路使用相同的电流,则意味着如果参考电阻 R3 为 100 Ω,则桥在 0°C 时将完全平衡,输出端之间的电压为零。如果每个支路的电流设置为 (?T°/?R) 或 (100/38.5) = 2.597…mA,则差分输出电压将改变 1 mV/°C。使用 DMM 在其毫伏范围内测量该输出,将直接显示温度。
  实用 RTD 电路

  图 3显示了如何真正做到这一点。

  图 3能够提供 1 mV/°C 的实用电路。
  A1-A/Q1/R5 和 A1-B/Q2/R6 构成恒流源对,或者说是吸电端,因为我们将电路颠倒过来了。每个电路的公共参考来自 D2,这是一个精密的 1.24 V 参考,已降低至约 1.12 V,这当然是 2.597…mA 在 430 Ω 上产生的(理论)电压。输出端之间的差分电压现在正是我们想要的:0°C 时为 0 V,100°C 时为 100 mV。(在完美设计的世界中,TCR 从零度到 2044 K(铂的熔点)都保持不变,我们将使用 2.7315 mA 的电流。)
  原理图左侧的其他零碎东西都是无聊的实用物品:一个 CR2032 3V 纽扣电池、一个按压读取开关,以及一个串联二极管和电阻器,用于为白色 LED 供电,当电池电压达到可用电压(约 2.7V)时,LED 会变暗,此时小数点后第二位开始偏移。(如果只是基本用途,那么电源/低电量指示就足以用于实验室。)测量的功耗约为 8mA。
  校准是必要的,但很容易。要设置 0°C 点,请将 RTD 浸入碎冰中,并调节 R8 以获得零输出电压。然后将其挂在刚煮沸的水壶中水上方的蒸汽中,并调整 R5 以获得 100.0 mV 的输出。就是这样!
  考虑错误
  它有效。它很简单。它设置正确。可能出什么问题?

  首先,与 RTD 的连接,其自身电阻会增加传感器的电阻。由于该装置仅供实验室使用,因此只需要一米左右的电缆。18 AWG(~1 平方毫米)电线的长度具有~ 90 mΩ 的环路电阻,误差约为 0.02°C:可以忽略不计,铜引线本身的电阻温度系数 (TCR) 的二阶效应也是如此。但是,许多 RTD 组件(而不是基本传感器元件)都带有三根电线,允许配置完全抵消此误差,假设所有电线都具有相同的电阻,如图4所示。

  图 4与 RTD 的三线连接可以消除电缆的电阻。
  其次,传感器会自热。大多数 RTD 电路使用 1 mA 感应电流,但我们的 ~2.6 mA 会耗散更多,大约 1 mW。基本 RTD 元件的热阻约为 20°C/W,因此误差可能为 +~0.02°C,具体取决于设备浸入的介质以及介质是静止的还是移动的。在静止的空气中,读数可能比在流动的水中至少高 0.1°C。如果您要在空气中使用它,将 RTD 放在被冰和水包围的腔体中而不是浸入其中来设置零点。
  接下来,电路中会出现偏移和不匹配,只要两个电流源具有相同的误差(可以通过校准消除),它们就会保持平衡。Q1 和 Q2 的 hFE 应该匹配,因为它们的基极电流会在 R5 和 R6 上产生轻微的过电压,而这些电压需要匹配才能获得的温度稳定性。(这真的很棘手。传感器的温度可能会剧烈波动,但测量电路不应该如此。LM385-1.2 基准在室温区域具有非常低的电压温度系数。)
  对于 Q1/2 使用 MOSFET 会更好,它们的栅极电流为零(ish),但 3V 电源不允许这样做,至少对于手头的设备而言是这样。可以忽略接收器顺从性的有限但较高的值。
  0° 和 100° 校准点可能存在其他误差。校准槽中的冰由蒸馏水或至少去离子水制成。(有关水之间的奇怪差异,请参阅本文,然后忽略其对该设备的影响。)
  沸点比较难确定。在海平面,大气压为 1 巴,其值定义为 99.97°C。随着海拔高度的升高,气压下降,每升高 300 米,水的沸点就会降低约 1°。检查您的高度计和气压计并进行相应调整。这是一个非常有用的工具。
  ,还有与之配合使用的 DMM。大多数仪表的 10 MΩ 输入电阻只会引入微小的误差,这将在校准期间得到补偿。使用分辨率的仪表,您必须将零度设置为零,但目标仪表为 100°C 点,以避免任何仪表校准问题。即使的仪表(低于 $/?/€5)通常也有 199.9 mV 的范围;为什么不买一个并留着它用于测温呢?
  尽管上面有这么多的争论和担忧,但只要稍加注意就能达到 0.1°C 的精度,这比大多数基于热敏电阻的温度计所能提供的精度要好得多。为了获得更高的分辨率,并增加一个(准确但不的)小数位,请使用 4? 位仪表进行读数。计量学家可能会对一些细节吹毛求疵,但我希望不要太过激烈。
  我们之前见过但拒绝的 Q1/2 的那些 MOSFET:如果电源电压更高并且运算放大器不同,它们仍然可以使用。TLV2372 (RRIO) 是理想的选择,但 LM358 效果很好,因为它可以感应到地线并(刚好)驱动到正轨,输入失调电流足够低且相当稳定。在测试中,使用 ZVN3306A MOSFET,该变体在 4.6 至 30 V 的电源范围内给出了稳定的结果。(对于更高的电压,R2 增加了。)
  桥电流不均等

  到目前为止,电桥两条支路的电流相等,但不必如此,因为定义 0°C 点的参考电流可以低得多。将 R6/7/8 增加十倍左右可节省几毫安,而且我发现没有实际缺点,尤其是在使用 MOSFET 时。然后,通向传感器的引线必须很短,因为图 4 所示的引线电阻补偿方案仅适用于相等电流。我的 Mark 2 版本(如图 5所示)使用此 10:1 电流比以及其他更改以适应 9V 电源。它也运行良好,消耗约 6 mA 电流。

  图 5较高的电池电压允许在电流吸收器中使用 MOSFET,而桥的参考臂中的较低电流可节省一些电源电流。
  应该可以将差分输出通过仪表放大器(带增益)馈送到 ADC。请注意措辞,这意味着我既没有尝试过也没有详细考虑过这种方法。该设备是为实验室使用而开发的,而不是过程控制环境。
  对于真正的全 DIY 版本,如果您有耐心,大约 100 Ω 的(非常)细铜线应该可以制作出一个好的传感器。铜的 TCR 接近掺杂铂的 TCR(Cu:3.93 ppt/K;Pt:3.85),因此只需要对 R7/8 进行修改(以匹配实际电阻)并稍微重新调整 R3(针对铜的 TCR)。100 Ω RTD 数字很常见,但不是强制性的。对于更高的传感器电阻,请使用较低的驱动电流(减少自热),调整 R5(可能还有 R6/7/8)以适应。
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