可支持電阻溫度檢測器的高接口(圖)-設(shè)計應(yīng)用

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電阻溫度檢測器(RTD)屬于溫度傳感器的一種，可以利用金屬電阻會隨著溫度高低不同而出現(xiàn)相應(yīng)變化這一物理特性測量溫度，其應(yīng)用范圍非常廣泛，例如用以測量及控制溫度的許多儀表都采用這種檢測器。這些測量儀表電路都采用100Ω的白金電阻溫度檢測器(PRTD)，目前市場上還有多種不同的白金電阻溫度檢測器可供選擇。以超過0℃的溫度環(huán)境來說，白金電阻溫度檢測器的電阻溫度轉(zhuǎn)換函數(shù)大約可以利用公式1列出，公式中的T指溫度。電阻溫度檢測器電阻RRTD=(100+0.39083T-0.00005775T2)Ω(1)白金電阻溫度檢測器接口電路有助減低信號調(diào)理元件出現(xiàn)的誤差，電路如圖1所示。LMP2022芯片是高增益而補償電壓接近零的高精度放大器，LM4140A-2.500則是已微調(diào)的低漂移電壓參考電路，其誤差不超過0.05%，電壓漂移則不會超過10×10-6/℃。用戶只要采用這兩款芯片再搭配幾個高精度電阻，便可組裝出準確而又穩(wěn)定的溫度計。

圖1的電路適宜采用4引線白金電阻溫度檢測器，目前采用的眾多配置之中也以這款設(shè)計為準確。4引線白金電阻溫度檢測器設(shè)有Kelvin連接動力引線及傳感引線。圖1中的W1及W4這兩條引線屬于動力引線，負責將電阻溫度檢測器連接到恒流電源。另外兩條引線W2及W3屬于傳感引線，負責將電阻溫度檢測器的電壓連接到放大器。這個設(shè)計可將負責驅(qū)動電阻溫度檢測器的恒流電源與測量電路分開，其優(yōu)點是，測量電阻溫度檢測器的電壓時，即使W1和W4引線出現(xiàn)壓降也不會影響測量數(shù)字的準確性。下面解釋為何引線會造成測量上出現(xiàn)誤差。假若探頭采用3m長的24級銅線，而這條導線將電阻與測量儀表連接一起，那么引線的電阻可以用下式計算出來：2×3m×(0.0857Ω/m)=0.514Ω。若溫度為0℃時，電阻溫度檢測器的電阻會按照0.39Ω/℃這個升降率而轉(zhuǎn)變，令引線產(chǎn)生以下的溫度誤差：0.514Ω/(0.39Ω/℃)=1.31℃。溫度越高，誤差也就越大。若溫度為400℃，白金電阻溫度檢測器的電阻會按照0.35Ω/℃這個升降率而轉(zhuǎn)變，令引線產(chǎn)生以下的溫度誤差：0.514Ω/(0.35Ω/℃)=1.46℃。

可以激勵電阻溫度檢測器的其他電路圖2和圖3的電路是另外兩個可以用來激勵白金電阻溫度檢測器的設(shè)計方案。圖2的電路利用恒壓電源及串行電阻設(shè)定流入白金電阻溫度檢測器的電流，并為不同的溫度各自設(shè)定不同的電流值。以這個示例來說，溫度為0℃時，電流則設(shè)定為1mA(2.5V/(100Ω+2400Ω)=0.001A)。這個計算方法沒有將W1及W4引線所產(chǎn)生的電阻計算在內(nèi)。經(jīng)過分壓器分壓之后的W2及W3傳感引線電壓可以利用公式2計算出來。

VPRTD=VR×((RPRTD+2400Ω)/RPRTD)(2)圖3的電路采用恒流電源。只要引線壓降、白金電阻溫度檢測器及R8電阻所產(chǎn)生的總電壓不超過A1放大器的輸出擺幅，1mA的電流便會流入白金電阻溫度檢測器。傳感引線W2及W3的電壓可以用式3計算出來。VPRTD=0.001×RPRTD(3)圖4利用圖表方式比較這兩種不同電路設(shè)計的性能。曲線1是輸出恒流驅(qū)動電流的VPRTD，而曲線2則是輸出恒壓驅(qū)動電流的VPRTD。由于分壓器的關(guān)系，恒壓驅(qū)動電流的線性表現(xiàn)會受到一定的影響，以致其實際表現(xiàn)會增添一些非線性的特性。

恒流激勵器恒流電源供應(yīng)器由放大器1(即LMP2022高精度放大器)、R8電阻及2.5VLM4140參考電路組成。恒流值可以用公式4計算出來。IRTD=Vref/R8(4)若以圖1的數(shù)值代入計算，恒流值則為IRTD=2.5V/2500Ω=1mA。一般來說，1mA的電流已夠低，不會令白金電阻溫度檢測器的內(nèi)部過度受熱，因此可將因溫度上升而產(chǎn)生的誤差減至少。輸入電阻溫度檢測器的電流必須高低適中，電流量一方面要夠強，足以提高溫度傳感器的靈敏度，但另一方面又不能太高，以免電阻溫度檢測器因內(nèi)部受熱過度而出現(xiàn)太多誤差。介紹電阻溫度檢測器特性的產(chǎn)品數(shù)據(jù)表一般都會提供相關(guān)的技術(shù)參數(shù)，并詳細列出在不同的情況下檢測器的內(nèi)部溫度會上升多少。只要改變R8的電阻值，便可使用其他的恒流值。R8電阻會直接影響電源供應(yīng)的準確度，而電源供應(yīng)的準確度應(yīng)該高于溫度測量數(shù)字所要求的準確度，而且其穩(wěn)定性也不應(yīng)該受溫度變化的影響。若要確保R8電阻能夠充分發(fā)揮其性能，可以采用已封裝微調(diào)的薄膜電阻陣列，例如，可以先將4個10kΩ電阻并行連接一起，然后裝載在同一封裝內(nèi)，組裝成一個準確的2.5kΩ電阻。

信號放大器A2、A3和A4三個放大器可以組裝一起，成為儀表測量放大器。以這一電路為例來說，應(yīng)用的溫度范圍是0～700℃，因此這個溫度范圍之內(nèi)的電阻便應(yīng)該介于100～345.28Ω之間。若輸入電流為1mA，傳感引線的電壓會在0.10～0.34528V的范圍內(nèi)波動。再假設(shè)LM4140A-2.500電壓參考電路也為模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器提供電壓參考，而白金電阻溫度檢測器的信號則調(diào)高至其滿標度的2.5V，那么儀表測量放大器必須提供的增益則等于2.500/0.34528=7.2405。儀表測量放大器的整體增益可以用公式5計算出來,但必須受R3=R1、R4=R2及R6=R5這三個前提限制。Av=(1+2R5/R7)(R1/R2)(5)由于要求的增益較低，因此所有增益都來自級放大器，而且這方面的增益可以利用R7的電阻值加以控制。由于增益可以加以設(shè)定，因此其他電阻也必須采用相同的電阻值。R1、R2、R3、R4、R5及R6等電阻的電阻值應(yīng)互相參照調(diào)校，以便盡量縮小彼此的差距。這些電阻適宜用來組裝微調(diào)薄膜電阻組，其優(yōu)點是各電阻在有需要時可以加以互相參照調(diào)校，確保彼此的差值不會超過0.01%。R7的電阻值可以用公式6計算出來。7.2405=(1+2(10kΩ)/R7)(10kΩ/10kΩ)(6)這里，R1、R2和R5均為10kΩ，計