WZP型鉑電阻溫度傳感器Pt1000信號(hào)的線性化處理
WZP型鉑電阻溫度傳感器Pt1000是利用元件電磁參量隨溫度變化的特性對(duì)溫度與溫度有關(guān)的參量進(jìn)行檢測(cè)的裝置。因其線性度相對(duì)較好,耐氧化能力很強(qiáng),并且溫度范圍寬,其測(cè)溫的范圍從-200℃~+650℃,目前在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究工作中得到廣泛使用。該傳感器的信號(hào)處理電路需要完成將與溫度有關(guān)的電阻變化信號(hào)變換成統(tǒng)一的電壓信號(hào)。
1 Pt1000的輸出特性曲線
將Pt1000放入高低溫實(shí)驗(yàn)箱中,將溫度設(shè)定為-30℃~+70℃,測(cè)得溫度傳感器在不同溫度下的電阻值,測(cè)得數(shù)據(jù)如圖1所示。在測(cè)量溫度范圍內(nèi),Pt1000輸出電阻值與溫度成一定的比例關(guān)系。但是在高溫和低溫條件下,有一定的偏差,需要在調(diào)理電路中進(jìn)行溫度補(bǔ)償。
2基本恒流源電路
鉑電阻溫度傳感器的信號(hào)處理電路可以采用恒壓源或恒流源,通過對(duì)恒壓源的研究,發(fā)現(xiàn)在實(shí)際應(yīng)用中存在不穩(wěn)定,精度不高等問題,其原因是恒電壓工作時(shí),除了鉑電阻本身的非線性誤差外,還會(huì)產(chǎn)生恒電壓工作電路的固有誤差,從而使得整個(gè)電路的系統(tǒng)誤差變大。因此本文設(shè)計(jì)采用的是恒流源的方法。
基本的恒流源電路見圖2,用鉑電阻RT代替反相放大器的Rf,根據(jù)反相放大器的公式可以得到:
Vi,R1固定后,流過RT的電流恒定,Vo與RT成正比,從RT的變化可以得到相應(yīng)的電壓的變化,從而實(shí)現(xiàn)了電壓輸出,并且線性度保持不變。
3帶同相輸入的溫度處理電路
理想溫度傳感電路在0℃時(shí)輸出電壓為0 V,而在圖1中RT=1 000.8 Ω,代入式(1)得到的Vo不為0,所以需要對(duì)電壓進(jìn)行調(diào)零。實(shí)現(xiàn)的方法是在圖2中的運(yùn)放的同相端加一個(gè)輸入電壓進(jìn)行調(diào)整,如圖3所示。
所以只要k能調(diào)到合適的值,就可以使信號(hào)實(shí)現(xiàn)調(diào)零。但因?yàn)檫@只是理論上的計(jì)算,實(shí)際的運(yùn)放不是理想的,各個(gè)電阻也會(huì)由于溫度等的影響,阻值不會(huì)完全符合標(biāo)稱阻值。所以不固定R2和R3的大小,在實(shí)際中采用可變電阻進(jìn)行微調(diào)。
同相輸入端調(diào)整電壓的加入使得即使溫度升高,輸出電壓也會(huì)減小,因此為了保證信號(hào)在-30℃~+70℃時(shí)線性輸出-300~700 mV,在調(diào)零后再用一個(gè)放大電路對(duì)放大系數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。如圖4所示。
圖4所示為反相放大電路,他不光可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)放大信數(shù)為A=R5/R4的放大效果,還可以將通過前級(jí)運(yùn)放反相了的電壓Vo1再反相,即變成了符合要求的正相電壓了。
4 線性化補(bǔ)充處理
經(jīng)過運(yùn)放1后的關(guān)系為式(2)所示。經(jīng)過運(yùn)放2的線性放大,若RT一定,Vo與Vi是成正比的,所以要保持線性,Vi最好是一個(gè)定值,否則Vo的函數(shù)關(guān)系中便出現(xiàn)了Vi和RT兩個(gè)函數(shù)值,不能準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的測(cè)量了。設(shè)計(jì)給出的電壓波動(dòng)范圍是±10%VCC,一定溫度下RT為定值,那么最后的Vo也有±10%的波動(dòng),采用統(tǒng)一的R-T關(guān)系判斷,在測(cè)量范圍內(nèi)所得到的溫度誤差變?yōu)榱恕?0℃,這是不能容忍的。電路必須有可靠的高精度的穩(wěn)壓裝置,因此在電路實(shí)際工作中,不用自接供電的方式,可采用高精度的電壓基準(zhǔn)MAX6025提供標(biāo)準(zhǔn)的2.5 V電壓基準(zhǔn)對(duì)元件和電路進(jìn)行供電。
另外,由Pt1000鉑電阻值R與溫度T的關(guān)系可知,在測(cè)量溫度范圍內(nèi),Pt1000具有3.786 59 Ω/℃的高靈敏度,因此只需要選用通用型的運(yùn)放就可以了。所采用電阻的溫度系數(shù)匹配時(shí),非線性誤差也可以不用考慮。
5實(shí)際溫度傳感信號(hào)處理電路
實(shí)際溫度傳感信號(hào)處理電路見圖5,電路圖中的電容C是降噪電容器,實(shí)際取值1μF,2.5 V電壓基準(zhǔn)由MAX6025提供。依據(jù)圖中給定參數(shù),在進(jìn)行實(shí)際溫度測(cè)試前,首先要對(duì)其進(jìn)行調(diào)零和調(diào)滿。用精密可調(diào)電阻代替Pt1000連接到電路中,改變阻值使其等于0℃時(shí)的等效電阻1 000.8 Ω,調(diào)可變電阻R5,使輸出電壓為0,再改變精密可調(diào)電阻值到70℃的1 265.8 Ω,調(diào)可變電阻R6,使輸出為700 mV,完成調(diào)零和調(diào)滿。該電路經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測(cè)試,達(dá)到很好的溫度傳感效果。