|
電阻溫度檢測器(RTD)屬于溫度傳感器的一種，可以利用金屬電阻會隨著溫度高低不同而出現相應變化這一物理特性測量溫度，其應用范圍非常廣泛，例如用以測量及控制溫度的許多儀表都采用這種檢測器。這些測量儀表電路都采用100Ω的白金電阻溫度檢測器(PRTD)，目前市場上還有多種不同的白金電阻溫度檢測器可供選擇。以超過0℃的溫度環境來說，白金電阻溫度檢測器的電阻溫度轉換函數大約可以利用公式1列出，公式中的T指溫度。 電阻溫度檢測器電阻RRTD= (100 + 0.39083T-0.00005775T2)Ω (1) 白金電阻溫度檢測器接口電路有助減低信號調理元件出現的誤差，電路如圖1所示。LMP2011芯片是高增益而補償電壓接近零的高精度放大器，LM4140A-2.500則是已微調的低漂移電壓參考電路，其誤差不超過0.05%，電壓漂移則不會超過10×10-6/℃。用戶只要采用這兩款芯片再搭配幾個高精度電阻，便可組裝出準確而又穩定的溫度計。 圖1的電路最適宜采用4引線白金電阻溫度檢測器，目前采用的眾多配置之中也以這款設計最為準確。4引線白金電阻溫度檢測器設有Kelvin連接動力引線及傳感引線。圖1中的W1及W4這兩條引線屬于動力引線，負責將電阻溫度檢測器連接到恒流電源。另外兩條引線W2及W3屬于傳感引線，負責將電阻溫度檢測器的電壓連接到放大器。這個設計可將負責驅動電阻溫度檢測器的恒流電源與測量電路分開，其優點是，測量電阻溫度檢測器的電壓時，即使W1和W4引線出現壓降也不會影響測量數字的準確性。 下面解釋為何引線會造成測量上出現誤差。假若探頭采用3m長的24級銅線，而這條導線將電阻與測量儀表連接一起，那么引線的電阻可以用下式計算出來：2×3m×(0.0857Ω/m) = 0.514Ω。若溫度為0℃時，電阻溫度檢測器的電阻會按照0.39Ω/℃這個升降率而轉變，令引線產生以下的溫度誤差：0.514Ω/(0.39Ω/℃)=1.31℃。溫度越高，誤差也就越大。若溫度為400℃，白金電阻溫度檢測器的電阻會按照0.35Ω/℃這個升降率而轉變，令引線產生以下的溫度誤差：0.514Ω/(0.35Ω/℃)=1.46℃。 可以激勵電阻溫度檢測器的其他電路 圖2和圖3的電路是另外兩個可以用來激勵白金電阻溫度檢測器的設計方案。圖2的電路利用恒壓電源及串行電阻設定流入白金電阻溫度檢測器的電流，并為不同的溫度各自設定不同的電流值。以這個示例來說，溫度為0℃時，電流則設定為1mA(2.5V/(100Ω+2400Ω)=0.001A)。這個計算方法沒有將W1及W4引線所產生的電阻計算在內。經過分壓器分壓之后的W2及W3傳感引線電壓可以利用公式2計算出來。 VPRTD=VR×((RPRTD+2400Ω)/RPRTD) (2) 圖3的電路采用恒流電源。只要引線壓降、白金電阻溫度檢測器及R8電阻所產生的總電壓不超過A1放大器的最高輸出擺幅，1mA的電流便會流入白金電阻溫度檢測器。傳感引線W2及W3的電壓可以用式3計算出來。 VPRTD=0.001×RPRTD (3) 圖4利用圖表方式比較這兩種不同電路設計的性能。曲線1是輸出恒流驅動電流的VPRTD，而曲線2則是輸出恒壓驅動電流的VPRTD。由于分壓器的關系，恒壓驅動電流的線性表現會受到一定的影響，以致其實際表現會增添一些非線性的特性。 恒流激勵器 恒流電源供應器由放大器1(即LMP2011高精度放大器)、R8電阻及2.5V LM4140參考電路組成。恒流值可以用公式4計算出來。 IRTD= Vref/R8 (4) 若以圖1的數值代入計算，恒流值則為IRTD=2.5V/2500Ω=1mA。一般來說，1mA的電流已夠低，不會令白金電阻溫度檢測器的內部過度受熱，因此可將因溫度上升而產生的誤差減至最少。輸入電阻溫度檢測器的電流必須高低適中，電流量一方面要夠強，足以提高溫度傳感器的靈敏度，但另一方面又不能太高，以免電阻溫度檢測器因內部受熱過度而出現太多誤差。介紹電阻溫度檢測器特性的產品數據表一般都會提供相關的技術參數，并詳細列出在不同的情況下檢測器的內部溫度會上升多少。只要改變R8的電阻值，便可使用其他的恒流值。R8電阻會直接影響電源供應的準確度，而電源供應的準確度應該高于溫度測量數字所要求的準確度，而且其穩定性也不應該受溫度變化的影響。 若要確保R8電阻能夠充分發揮其性能，可以采用已封裝微調的薄膜電阻陣列，例如，可以先將4個10kΩ電阻并行連接一起，然后裝載在同一封裝內，組裝成一個準確的2.5kΩ電阻。 信號放大器 A2、A3和A4三個放大器可以組裝一起，成為儀表測量放大器。以這一電路為例來說，應用的溫度范圍是0～700℃，因此這個溫度范圍之內的電阻便應該介于100～345.28Ω之間。若輸入電流為1mA，傳感引線的電壓會在0.10～0.34528V的范圍內波動。再假設LM4140A-2.500電壓參考電路也為模擬/數字轉換器提供電壓參考，而白金電阻溫度檢測器的信號則調高至其滿標度的2.5V，那么儀表測量放大器必須提供的增益則等于2.500/0.34528=7.2405。儀表測量放大器的整體增益可以用公式5計算出來,但必須受R3=R1、R4=R2及R6=R5這三個前提限制。 Av=(1+2R5/R7)(R1/R2) (5) 由于要求的增益較低，因此所有增益都來自第一級放大器，而且這方面的增益可以利用R7的電阻值加以控制。由于增益可以加以設定，因此其他電阻也必須采用相同的電阻值。R1、R2、R3、R4、R5及R6等電阻的電阻值應互相參照調校，以便盡量縮小彼此的差距。這些電阻最適宜用來組裝微調薄膜電阻組，其優點是各電阻在有需要時可以加以互相參照調校，確保彼此的差值不會超過0.01%。R7的電阻值可以用公式6計算出來。 7.2405=(1+2(10kΩ)/R7)(10kΩ/10kΩ) (6) 這里，R1、R2和R5均為10kΩ，計算得出R7=3.2049kΩ。 上述電路可為100Ω的白金電阻溫度檢測器提供一個功能齊備的信號調理解決方案。其他的電阻傳感器只要將電源供應及測量儀表放大器的增益稍加調節，便可采用相同的電路。對于其他類型的電阻溫度檢測器，需要對有關數值加以調整，以便能支持所需的功能。 |
