CN111649838A

CN111649838A - 一种铂热电阻测温电路

Info

Publication number: CN111649838A
Application number: CN202010469776.3A
Authority: CN
Inventors: 汪金华; 何一蕾; 李彩侠; 周晶; 杨扬
Original assignee: CETC 43 Research Institute
Current assignee: CETC 43 Research Institute
Priority date: 2020-05-28
Filing date: 2020-05-28
Publication date: 2020-09-11

Abstract

本发明公开了温度测量领域的一种铂热电阻测温电路，包括恒流源、铂热电阻以及运算放大电路，铂热电阻采用四线制接入恒流源两端以及运算放大电路的输入端，还包括连接在运算放大电路输出端与恒流源输入端之间的压控电流源，铂热电阻分别通过电阻R1、R2、R3、R4连接恒流源的两侧输出端以及运算放大电路的两个输入端，压控电流源的输入端连接运算放大电路的输出端二输出端并联连接在恒流源的输出端。本发明通过运算放大电路实现高精度放大，通过压控电流源实行闭环反馈，通过调整压控电流源中的采样电阻使压控电流源的补偿比例系数达到测温电路的校准要求，操作方便，校准精度高，而且压控电流源电路形式简单，有效降低了成本。

Description

一种铂热电阻测温电路

技术领域

本发明涉及温度测量领域，具体是一种铂热电阻测温电路。

背景技术

Pt100铂热电阻传感器是一种电阻值随温度变化而改变的温度传感器，具有稳定性好、精度高等优点，是工业生产过程中最常用的温度传感器。Pt100传感器温度/阻值对应关系可以简化为：R_Pt100＝100(1+At+Bt²)。

式中，A＝3.9083×10^-3；B＝-5.775×10^-7；如果不加补偿，设流过的电流为R_Pt100，设放大器的放大倍数为A，则输出电压Vo＝A·I_S·R_Pt100，因为R_Pt100是非线性的，所以输出也是非线性的，因此解决该问题需要在测量电路中对其进行补偿校准。

在现有测量电路中，一般是通过微处理器通过查表法进行补偿校准，其电路大多较复杂，设计成本较高，因此有必要对目前的Pt100铂热电阻测温电路进行改进，提高测温电路的精度同时尽量降低电路的复杂性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种铂热电阻测温电路，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种铂热电阻测温电路，包括恒流源、铂热电阻以及运算放大电路，所述铂热电阻采用四线制接入恒流源两端以及运算放大电路的输入端，还包括连接在运算放大电路输出端与恒流源输入端之间的压控电流源，所述铂热电阻分别通过电阻R1、R2、R3、R4连接恒流源的两侧输出端以及运算放大电路的两个输入端，所述压控电流源的输入端连接运算放大电路的输出端二输出端并联连接在恒流源的输出端。

作为本发明的改进方案，为了对上述运算放大电路的电路结构进一步阐述，所述运算放大电路包括运算放大器A1、A2，所述运算放大器A1的反相输入端与输出端之间连接有相并联的反馈电阻R5与滤波电容C1，运算放大器A1的同相输入端一路连接运算放大器A2的输出端，一路通过反馈电阻R6连接运算放大器A2的反相输入端，运算放大器A2的同相输入端接地。

作为本发明的改进方案，为了对上述压控电流源的电路结构进一步阐述，所述压控电流源包括运算放大器A3、三极管Q1与采样电阻，三极管Q1的发射极连接恒流源，其基极连接运算放大器A3的输出端，集电极连接运算放大器A3的反相输入端，运算放大器A3的同相输入端连接运算放大电路的输出端；采样电阻包括精密电阻R7,以及并联在精密电阻两端的相串联的微调电阻R8、R9，所述精密电阻R7一端连接三极管集电极，另一端接地。

作为本发明的改进方案，为了避免恒流源与铂热电阻之间的连接导线上的阻值对测温精度产生影响，所述恒流源正极与铂热电阻之间的连接线路上设有电阻R1，其负极与铂热电阻之间的连接线路上设有电阻R3；所述电阻R1、R3包括恒流源与铂热电阻的连接线路上的线电阻和接触电阻；恒流源的电流走向为从电阻R1到铂热电阻到电阻R3。电阻R1、R3为概念化的电阻。

作为本发明的改进方案，为了避免运算放大电路与铂热电阻之间的连接导线上的阻值对测温精度产生影响，所述运算放大电路第一输入端与铂热电阻之间的连接线路上设有电阻R2，其第二输入端与铂热电阻之间的连接线路上设有电阻R4；所述电阻R2、R4包括运算放大电路与铂热电阻的连接线路上的线电阻和接触电阻；运算放大电路的电流走向为从电阻R2到铂热电阻到电阻R4。电阻R2、R4为概念化的电阻。

有益效果：本发明通过运算放大电路实现高精度放大，通过压控电流源实行闭环反馈，通过调整压控电流源中的采样电阻使压控电流源的补偿比例系数达到测温电路的校准要求，操作方便，校准精度高，而且压控电流源电路形式简单，有效降低了成本。

附图说明

图1为本发明的整体电路图；

图2为本发明提供的一种运算放大电路的电路原理图；

图3为本发明提供的一种压控电流源的电路原理图；

图4为本发明对铂热电阻补偿前后的测温曲线对比图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1，参见图1，一种铂热电阻测温电路，包括恒流源、铂热电阻以及运算放大电路，铂热电阻采用四线制接入恒流源两端以及运算放大电路的输入端，还包括连接在运算放大电路输出端与恒流源输入端之间的压控电流源，铂热电阻分别通过电阻R1、R2、R3、R4连接恒流源的两侧输出端以及运算放大电路的两个输入端，压控电流源的输入端连接运算放大电路的输出端二输出端并联连接在恒流源的输出端。

流经铂热电阻的电流为恒流源提供的电流Is与压控电流源提供的反馈电流If，压控电流源通过检测运算放大电路的输出计算测温误差，根据测温误差调整自身的补偿比例系数，然后通过补偿恒流源电流实现对测温电路的校准。压控电流源可以调整反馈电流的大小，进而调整输入到铂热电阻的供电电流，达到闭环的反馈调节。运算放大电路的输出端还可以连接A/D转换电路、单片机以及显示屏，用于实现温度的电压转换和数字显示。

参见图2，本实施例提供了运算放大电路的一种电路结构，该电路主要在经典电压放大电路的基础上增加稳零电路，结构简单，能实现电路的放大精度和稳定性。具体地，包括运算放大器A1、A2，运算放大器A1的反相输入端与输出端之间连接有相并联的反馈电阻R5与滤波电容C1，运算放大器A1的同相输入端一路连接运算放大器A2的输出端，一路通过反馈电阻R6连接运算放大器A2的反相输入端，运算放大器A2的同相输入端接地，可以减小直接接地的噪声影响，以减小电路零漂和提高放大电路的稳定性。

参见图3，本实施例提供了压控电流源的一种电路结构，该电路结构简单，成本低廉，但能实现较好的闭环反馈。具体地，包括运算放大器A3、三极管Q1与采样电阻，三极管Q1的发射极连接恒流源，其基极连接运算放大器A3的输出端，集电极连接运算放大器A3的反相输入端，运算放大器A3的同相输入端连接运算放大电路的输出端；采样电阻包括精密电阻R7,以及并联在精密电阻两端的相串联的微调电阻R8、R9，精密电阻R7一端连接三极管集电极，另一端接地。

压控电流源的输出跟随运算放大电路输出的变化而变化，采样电阻主要用于对压控电流源的输出电流进行调节，通过控制采样电阻实现补偿恒流源的电流。因此，通过设计采样电阻的阻值，可以得到计算的补偿比例系数，微调电阻并联在采样电阻的两端，可以进一步地对补偿比例系数进行微调整，更好地满足实际电路补偿要求。

进一步地，为了避免连接导线的电阻对测温精度产生影响，将恒流源与铂热电阻的连接线路上的线电阻和接触电阻概念化提取成R1与R3，将运算放大电路与铂热电阻的连接线路上的线电阻和接触电阻概念化提取成R2与R4。即，恒流源正极与铂热电阻之间的连接线路上设有电阻R1，其负极与铂热电阻之间的连接线路上设有电阻R3；电阻R1、R3包括恒流源与铂热电阻的连接线路上的线电阻和接触电阻；恒流源的电流走向为从电阻R1到铂热电阻到电阻R3。运算放大电路的一个输入端与铂热电阻之间的连接线路上设有电阻R2，另一个输入端与铂热电阻之间的连接线路上设有电阻R4；电阻R2、R4包括运算放大电路与铂热电阻的连接线路上的线电阻和接触电阻；运算放大电路的电流走向为从电阻R2到铂热电阻到电阻R4。

本实施例包括通过标定测试和调节电流反馈补偿网络的反馈补偿系数实现测温电路的非线性反馈校准，具体通过以下核准步骤实现非线性反馈校准。

第一，获取铂热电阻的阻值与温度的对应关系：R_Pt100＝100(1+At+Bt²)，其中，A＝3.9083×10^-3，B＝-5.775×10^-7；运算放大电路放大倍数为D,那么无反馈时运算放大电路输出为：V1＝D*Is*R_Pt100＝D*Is*100(1+At+Bt²)，Is为恒流源流经铂热电阻的电流。

第二，假设压控电流源反馈系数为F,则反馈电流为If＝F*V1＝F*D*Is*100(1+At+Bt²)，F为压控电流源反馈系数，根据此时流经到铂热电阻上电流为If与Is的叠加，即：Iz＝Is+If＝Is+F*D*Is*100(1+At+Bt²)＝Is(1+F*D*100(1+At+Bt²)。

此时运算放大电路的输出为：

Vo＝D*R_Pt100*(Is+If)＝D*Is*R_Pt100*(1+F*D*100(1+At+Bt²))；

即Vo＝D*Is*100(1+At+Bt²)*(1+F*D*100(1+At+Bt²))；

上式展开后获取其二次项为：Vo＝D*Is*100*((1+2F*D*100)*Bt²+A²*F*D*100t²)))

当放大倍数D为定值时，可以通过反馈系数F调整运算放大电路的输出。

第三，当二次项为零时，电路取得最佳线性度，即(1+2F*D*100)*B+A²*F*D*100＝0，可得，

第四，根据补偿比例系数得调整分压反馈电阻R7的阻值参数，即：F＝R7。

采样电阻R7阻值调整之后，再通过实际测试测温误差，通过追加并联的微调电阻R8和R9，以进一步调整补偿比例系数，使其达到测温电路精度要求。

本发明的一种铂热电阻测温电路,铂热电阻采用四线制接法和电流反馈补偿网络，通过理论计算和试验调试分步进行的测温电路校准，电路简单,操作便捷,校准效果好,大大提高了测温电路的测温精度。如图4所示，利用本发明的测温电路在-100℃～300℃的温度测量范围内，测温最大误差误差小于±0.1℃,可广泛用于对测温精度要求较高的场合。

虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

故以上所述仅为本申请的较佳实施例，并非用来限定本申请的实施范围；即凡依本申请的权利要求范围所做的各种等同变换，均为本申请权利要求的保护范围。

Claims

1.一种铂热电阻测温电路，包括恒流源、铂热电阻以及运算放大电路，所述铂热电阻采用四线制接入恒流源两端以及运算放大电路的输入端，还包括连接在运算放大电路输出端与恒流源输入端之间的压控电流源，其特征在于，所述铂热电阻分别通过电阻R1、R2、R3、R4连接恒流源的两侧输出端以及运算放大电路的两个输入端，所述压控电流源的输入端连接运算放大电路的输出端二输出端并联连接在恒流源的输出端。

2.根据权利要求1所述的一种铂热电阻测温电路，其特征在于，所述运算放大电路包括运算放大器A1、A2，所述运算放大器A1的反相输入端与输出端之间连接有相并联的反馈电阻R5与滤波电容C1，运算放大器A1的同相输入端一路连接运算放大器A2的输出端，一路通过反馈电阻R6连接运算放大器A2的反相输入端，运算放大器A2的同相输入端接地。

3.根据权利要求1或2所述的一种铂热电阻测温电路，其特征在于，所述压控电流源包括运算放大器A3、三极管Q1与采样电阻，三极管Q1的发射极连接恒流源，其基极连接运算放大器A3的输出端，集电极连接运算放大器A3的反相输入端，运算放大器A3的同相输入端连接运算放大电路的输出端；采样电阻包括精密电阻R7,以及并联在精密电阻两端的相串联的微调电阻R8、R9，所述精密电阻R7一端连接三极管集电极，另一端接地。

4.根据权利要求3所述的一种铂热电阻测温电路，其特征在于，电阻R1设在恒流源正极与铂热电阻之间的连接线路上，电阻R3设在恒流源负极与铂热电阻之间的连接线路上设有；所述电阻R1、R3包括恒流源与铂热电阻的连接线路上的线电阻和接触电阻；恒流源的电流走向为从电阻R1到铂热电阻到电阻R3。

5.根据权利要求4所述的一种铂热电阻测温电路，其特征在于，电阻R2设在运算放大电路的一个输入端与铂热电阻之间的连接线路上，电阻R4设在运算放大电路的另一个输入端与铂热电阻之间的连接线路上；所述电阻R2、R4包括运算放大电路与铂热电阻的连接线路上的线电阻和接触电阻；运算放大电路的电流走向为从电阻R2到铂热电阻到电阻R4。