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热电阻传感器原理及铂热电阻测温系统的设计

时间:2011-08-23      阅读:2106

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)

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

R2 ×WR1 =R1 ×Rt

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。

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