採用模擬方法實現PT100溫度變送器的非線性補償

2021-01-15 電子發燒友
採用模擬方法實現PT100溫度變送器的非線性補償

電子工程網 發表於 2021-01-14 10:14:45

溫度是非常重要的物理參數，熱電偶和熱敏電阻（RTD）適合大多數高溫測量，但設計人員必須為特定的應用選擇恰當的傳感器，表1提供了常用傳感器的選擇指南。

RTD具有較高的精度，工作溫度範圍：-200°C至+850°C。它們還具有較好的長期穩定性，利用適當的數據處理設備就可以傳輸、顯示並記錄其溫度輸出。因為熱敏電阻的阻值和溫度呈正比關係，設計人員只需將已知電流流過該電阻就可以得到與溫度成正比的輸出電壓。根據已知的電阻-溫度關係，就可以計算出被測溫度值。

電阻值隨溫度的變化稱為「電阻的溫度係數」，絕大多數金屬材料的溫度係數都是正數，而且許多純金屬材料的溫度係數在一定溫度範圍內保持恆定。所以，熱敏電阻是一種穩定的高精度、並具有線性響應的溫度檢測器。具體應用中選用哪一種金屬材料（鉑、銅、鎳等）取決於被測溫度範圍。

鉑電阻在0°C的標稱電阻值是100Ω，儘管RTD是一種標準化器件，但在世界各地有多種不同的標準。這樣，當同一標準的RTD用在不同標準的儀表設計中時將會產生問題。

鉑金屬的長期穩定性、可重複操作性、快速響應及較寬的工作溫度範圍等特性使其能夠適合多種應用。因此，鉑電阻RTD是溫度測量中最穩定的標準器件。以下公式描述了PT100的特性，顯然它的溫度與電阻呈非線性關係：

RT = R0（1 + AT + BT2 + C（T-100）T3）

其中：

A = 3.9083 E-3

B = -5.775 E-7

C = -4.183 E-12 （低於0°C時）或0 （高於0°C時）。

表3是表格形式。

具體應用中，PT100的連接方式可以採用2線、3線或4線制（圖1、2和3）。有多種模擬和數字的方法進行PT100的非線性誤差補償，例如，可以利用查表法或上述公式實現數字非線性補償。

查表法是將代表鉑電阻阻值與溫度對應關係的一個表格存儲在μP內存區域，利用這個表格將一個測量的PT100電阻值轉換為對應的線性溫度值。另一種方法是根據實際測量的電阻值，採用以上公式直接計算相關的溫度。

查表法只能包含有限的電阻/溫度對應值，電路的複雜程度取決於精度和可用內存的空間。為了計算某一特定的溫度值，需要首先確認最接近的兩個電阻值（一個低於RTD測量值，一個高於RTD測量值），然後用插值法確定測量溫度值。

例如：如果測試的電阻值等於109.73Ω，假設查詢表格精度為10°C，那麼兩個最接近的值是107.79Ω （20°C）和111.67Ω （30°C）。綜合考慮這三個數據，利用下式進行計算：

以上數字補償的方法需要微處理器（μP）的支持，但是採用圖4的簡單模擬電路可以獲得高精度的非線性補償。該電路在-100°C時輸出電壓為0.97V，200°C時為2.97V。實現更寬範圍的測量時，例如：-100mV@-100°C到200mV@200°C，需要增加合適的增益調節（量程）電路和偏移（失調）控制。

這種方法利用電阻R2的少量正反饋作用實現PT100的非線性補償，該反饋環路對應於較高的PT100阻值時輸出電壓略有提高，有助於傳輸函數的線性化處理：

圖5表示PT100實際輸出和最接近的直線：y = ax + b，圖6畫出了經過模擬非線性補償的PT100輸出和其最接近的直線。每個圖都給出了溫度和電阻之間的關係式，與圖4電路的輸出計算值相比較。圖7、圖8所示為PT100在補償前和補償後的誤差。

在實際應用中我們常常需要校準模擬溫度計，但一定要儘量減少調節和控制環節，通常只需在兩個PT100點校準零點失調和滿量程誤差。這種方法需要保證PT100的電阻和溫度呈線性關係，但實際情況並非如此。

如果只在PT100阻值和溫度之間對傳輸函數進行線性補償，上述模擬補償方式可有效降低80%的誤差。需要注意的是，PT100較低的功耗（0.2mW-0.6mW）能夠減小傳感器自身的發熱。因此，採用模擬方法實現PT100的非線性補償很容易實現與±200mV面板表的連接，不需要任何額外的軟體開銷。

數字非線性補償電路（圖9）由RTD、誤差放大器、電流源以及μP控制的ADC組成。通過向熱敏電阻注入1mA至2mA的電流，然後測量它在熱敏電阻上產生的電壓進行溫度測量。採用大的注入電流會導致功率耗散增大，使傳感器自身發熱、導致測量誤差增大。圖中模數轉換器內部的 4.096V電壓基準簡化了電流激勵源的設計。

為了減小導線電阻對測量精度的影響，採用四條獨立的導線連接RTD和差分放大器。因為採用了高輸入阻抗運算放大器，所以導線電阻引入的電壓跌落幾乎為零。按照4096mV的基準電壓和3.3kΩ的反饋電阻，激勵電流近似等於4096mV/3.3kΩ = 1.24mA。 因為採用同一個基準電壓源驅動ADC和電流源，所以基準源的溫漂誤差不會影響測量結果。

如果配置MAX197的輸入範圍為0V至5V，並且設置差分放大器增益等於10，可以測量的最大阻值為400Ω，對應的最高檢測溫度為+800°C。μP也可以同時使用查表法對傳感器測量信號進行線性化處理，採用兩個精密電阻替換圖中的RTD （0°C時採用100Ω，滿量程或更高時採用300Ω），可以對該電路進行校準。

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