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基于RTD傳感器電路的良好性能分析

電子設計 ? 來源:郭婷 ? 作者:電子設計 ? 2019-10-16 07:59 ? 次閱讀

RTD傳感器的標準使用方式是把它包含在后接一個差分放大器的橋路中。問題在于,兩個非線性因素(一個來自傳感器,一個來自橋路)會影響傳遞函數。一些方法試圖避免這個問題,但它們往往既龐大又昂貴。某種備選電路建議只給差分放大器添加一個額外電阻,但它既未提供設計指導原則,也未提供結果。本設計實例填補了這個空白。雖然電路分析有些復雜,但性能很好,并且該電路使用的元件很少。

基于RTD傳感器電路的良好性能分析

除了鉑RTD(R?Θ)以外,該電路只有6個精密電阻、1個運算放大器、1個電壓參考(圖1)。R4是差分放大器的額外電阻,向傳感器交付額外電流,它與正在測量的溫度有關。借助恰當設計,該電路可在多種輸入溫度提供良好的線性和穩定性。輸出電壓VO按以下方式依賴于電路元件:

其中YI=1/RI,I=0 至 4。

對于正溫度,以下形式的二次多項式可近似表示RTD特性:

其中R0是0℃時的傳感器電阻,α和β是系數,Θ是被測溫度。首先替換第二個方程,并做一些變換后,得到:

基于RTD傳感器電路的良好性能分析

其中B、C、K是常數,f(Θ)是溫度的函數。圖2描繪了f(Θ)的一般形狀。當f(Θ)盡可能接近于常數時,輸出電壓以線性關系依賴于溫度。這種情況在f(Θ)的極小點周圍最正確。一些額外的關系規定輸出電壓在0℃時為0V,轉換系數為10 mV/℃,函數f(Θ)的最小值在測量范圍中心,流過RΘ的電流導致的傳感器自熱可忽略不計。

基于RTD傳感器電路的良好性能分析

圖3描繪了符合這些要求的電路。傳感器為DIN-IEC 751鉑RTD。Microsoft Excel軟件從該RTD的校準表擬合了13個點,范圍是0至600℃,步長為50℃。該電子數據表軟件確定R0的值為100Ω,α的值為3.908×10–3(℃)–1,β的值為5.801×10–7℃–2,R2因子為1。

基于RTD傳感器電路的良好性能分析

基于RTD傳感器電路的良好性能分析

基于RTD傳感器電路的良好性能分析

電路所有電阻的公差為0.02%,溫度系數為50 ppm/℃。可使用兩個微調電位器VR1和VR2來獨立調節0讀數和范圍讀數。應該在550℃執行范圍調節,以便匹配正誤差和負誤差的大小。在不超過基本非線性的前提下,還可擴展溫度范圍,使它不從0℃開始,而是從–100℃開始。通往傳感器的三引線連接明顯減輕了連接電纜電阻RC對準確度的影響。

基于RTD傳感器電路的良好性能分析

表1描述了該電路性能的評估結果,采用了校準的精密十進制電阻、校準的4.5位萬用表(讀數環境溫度為24℃和68℃)、±12/±15/±18V電源、0/5Ω電纜電阻。


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