热电阻传感器原理及铂热电阻测温系统的设计

铂热电阻测温电路的总体方案为:依据铂热电阻阻值的测量从而计算出（测量）实际的温度。为了提高测量精度,减少误差,采用三导线单臂电桥测量,测量电压是毫伏级。为此测量电压必须经过放大器放大后,才能输入到微机A /D或V /F部分进行计算机处理,从而实现微机数字化温度测量,提高测温的准确性。
3.1　测温电路的电源部分
    由于铂热电阻接在三导线单臂电桥,铂热电阻的单臂电桥需要电源供电,供电电压UA = 5V。采用计算机进行测量,又需要提供微机整机电源。这样需要提供两套电源。为了提高测量温度精度,减少对测温电路的干扰,这两套电源采用相互独立的电源供电,电路如图。UA = 5V为铂热电阻电源,U为微机电源。

测量电路
    工业测量用电阻温度计,其阻值Rt 的变化是用电桥来测量的。在现场中,为了提高测量精度,减少非线性误差,采用了三导线单臂电桥。见图2。
 
图2　三导线单臂电桥
    图中电桥供电电压UA = 5V。为了保证电压精度,采用WR2 =Ω来调节电桥电源电压UB ,使UB = 4V,WRt 为150Ω的滑线电阻,其目的在于保证电桥电路中当t = 0℃时,Ut = 0V,Ao为电桥独立接地点。
    桥臂电阻R1 =R2 = 10KΩ,根据串联电路特性求电桥a、b两点的电位,即
Ua/Rt = UB/（R2 +Rt）
Ub/WR1 = UB/（WR1 +Rt）
则
Ua =UB Rt / （R2 +Rt ）          （3）
Ub =UBWR1 / （R1 +WR1 ）          （4）
由电桥初始平衡条件可得
R2/Rt = R1/WR1
即
R2 ×WR1 =R1 ×Rt
而
Rt = R0+ △Rt
由图可知:
 
将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 为毫伏级。

3.3　电压放大回路
    由于三导线测量的电压U是毫伏级,而微机的A /D或V /F转换需要5V电压,为此测量电压必须经过精密放大器的放大后,才能作为A /D或V /F转换的输入值。精密放大器电路如图所示。
式（1）适合的温度范围为0～630℃代入式（ 6）中,得
Ut = 0. 084V。
如果放大后的Uf 以5V为上限,则放大倍数Kmax =5V /Ut = 5 /0. 084=59. 25,即放大倍数不能超过此值,反之,如果放大倍数取得太小,那么A /D 或转换分辨力降低。因此,放大倍数应取30～50为宜,本文取K = 50。
 
图3　精密放大器电路

3.4　微机测温的计算
由于K = 50,则
Uf = KUt （7）
将式（7）代入式（6）并代入相应参数值,经过整理得
（1. 1604 - 0. 01172Uf ） t2 + （78. 942Uf - 7816. 04） t = 0           （8）
    式（8）即是本文所要推导的t = f （Uf ）的函数式。利用此式只要对A /D或V /F检测出Uf 的值,可能计算出测量温度值t = （ - b - b2 - 4ac） /2a。由于微机采用节节点浮点数进行计算,从而求出铂热电阻的实际温度值。