PT100温度测量电路.docx

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PT100温度测量电路

TheResistiveTemperatureDetector（RTD）电阻温度检测器（RTD）

Inadditiontothermocouplesformeasuringtemperature,instrumentationengineersfrequentlyuseResistiveTemperatureDetectorsorRTDs.除了​​用于测量温度的热电偶，仪器仪表工程师经常使用电阻温度检测器或RTD。

ThesearedeviceswhoseDCresistancevaries（almost）linearlyasafunctionoftemperature.这些设备的直流电阻变化（几乎）作为线性温度的函数。

PerhapsthemostcommonoftheseisthePT100,aplatinumbasedsensorwhoseresistanceat0ºCisexactly100Ohms,（seeTable1）.或许其中最常见的是PT100，铂为基础的传感器，其电阻在0℃，正是100欧姆，（见表1）。

Asthesensor'stemperatureincreasessodoesitsresistance,inareasonablylinearmanner.由于传感器的温度升高其电阻也是如此，在一个合理的线性方式。

Table1showsthevariationinresistanceofaPT100sensorwithtemperature.表1显示了一个PT100传感器的电阻随温度的变化。

Whilethetemperaturecoefficientvariesslightlyoverawiderangeoftemperatures,（typically0.0036to0.0042Ohms/ºC）,itcanbeconsideredreasonablyconstantovera50or100ºCrange.而温度系数略有不同在一个很宽的温度范围内，（通常为0.0036至0.0042欧姆/ºC），它可以被认为是合理恒定在50或100ºC范围内。

Thecommonlyacceptedaveragetemperaturecoefficientis0.00385OhmsperºC.普遍接受的平均温度系数为0.00385欧姆每ºC。

AccordinglythePT100canoftenbeusedwithoutlinearizationoversucharangeprovidedtheappropriatecoefficientisevaluated.据此，PT100往往可以在不超过这个范围线性化使用提供相应的系数进行评估。

Thisdeviceisalsocapableofwithstandingawiderangeoftemperatures,from-200to800ºC,andforsomeapplicationsthevariationsintemperaturecoefficientcanbetolerated.这个装置也能承受的温度范围很广，从-200到800ºC的能力，以及一些应用中的温度系数的变化可以容忍的。

Further,thePT100providesstableandreproducibletemperaturecharacteristics.此外，PT100提供了稳定和可重复的温度特性。

ForagivenbaseresistanceRo,theresistanceofanRTDatTºCisgivenby:

对于给定的基极电阻RO，一个RTD电阻在TºC为：

Or或

…

（1）......

（1）

WhereRoisthebaseresistancecorrespondingtoTo,（100Ohmsat0ºC）and其中RO是基极电阻对应到TO，（在0ºC100欧姆）和

isthetemperaturecoefficient,（0.00385OhmsperºC）.是温度系数（每ºC0.00385Ohms）。

ThusR（100ºC）=138.5Ohms.因此，R（100℃）=138.5欧姆。

Thisapproximationprovidesquiteagoodestimateoftemperatureuptoabout300ºC,asshowninFigure1,thereafterthenonlinearitybecomesevident.这种近似提供了相当良好的温度估计高达约300℃，如图1所示，在此之后，非线性就不言而喻了。

Figure1.图1。

LinearRTDmodelvs.theactualcharacteristicRTD线性模型与实际特性

Equation

（1）assumesthatthenonlinearitiesintheRTDcharacteristicarenegligible,iethatthedeviceisentirelylinear,andwhileformanyapplicationsthisapproximationisacceptable,wheremoreprecisionisrequiredanonlinearmodelmustbeused,asoutlinedinEquation

（2）.方程

（1）假设，在RTD的非线性特性可以忽略不计，即该设备完全是线性的，而许多应用这种近似是可以接受的，这里需要一个更精确的非线性模型，必须使用，如公式概述

（2）。

…

（2）

Where:

A=3.908E-3,B=-5.775E-7andC=-4.183E-12forT<0andC=0forT>0.其中：

A=3.908E-3，B=-5.775E-7和C=-4.183E-12T<0，C=为T0>0。

TemperatureinformationcanbeobtainedfromanRTDbymeasuringitsresistance;eitherbyapplyingaknowncurrentandmeasuringtheresultingvoltageorviceversa.温度信息可以从一个RTD通过测量其电阻，或者通过应用已知的电流并测量产生的电压，反之亦然。

CaremusebetakenwhenpassingacurrentthroughanRTDasinternalI2Rheatingwillalsoaffectthedevice'sresistance.护理时所采取的缪斯穿过一个RTD为内部I2R加热电流也会影响设备的性能。

ThedegreetowhichthisoccursdependsonthephysicalsizeoftheRTDinquestion,andthereforehowmuchheatitcandissipatebeforeitstemperaturerisessignificantlyaboveambient.在何种程度上发生这种情况取决于有问题的RTD的物理尺寸，因此它可以多少热量消散之前，其显着高于环境温度上升。

Forsmalldevicessensecurrentsmustbekeptquitelow,typicallylessthan3mA.对于小型设备感电流必须保持相当低，通常比3毫安少。

Asmall（thickfilm）PT100deviceappearsinfigure2.小（厚片）PT100设备显示在图2。

Figure2.图2。

AThickFilmPT100TemperatureSensorConstruction一个PT100温度传感器厚膜建设

Figure3.图3。

SamplePT100probes样品PT100探头

RTDsgenerallyhaveasmallthermalmassandthereforecanexhibitafastresponsetorapidchangesintemperature.热电阻一般有一个小的热质，因此可以表现出快速反应，在温度急剧变化。

Thiscanbeusefulinprocesscontrolapplications.这可以在过程控制应用。

InformationCodingTechniques.信息编码技术。

InstrumentationapplicationsfrequentlyuseProgrammableLogicControllers（PLCs）tostoreandprocessdata,andthereforetheanalogueoutputsignalsofsensingequipmentmustbescaledappropriatelyfortheADconverterinputcardofthePLCconcerned.仪器仪表应用经常使用可编程逻辑控制器（PLC）来存储和处理数据，因此在检测设备模拟输出信号必须为AD转换器缩放的PLC输入卡适当关注。

Thisisgenerallyaccomplishedbythesensordrivingcircuitry.这通常是由传感器来完成驱动电路。

Thereareseveralstandardvoltagerangesusedbymanufacturers;theseinclude0to1,0to5and0to10volts,eachcorrespondingtothedesiredrangeoftemperaturesdetectedbytheRTD.有几个标准电压由制造商使用的范围，这些包括0至1，0至5和0至10伏，每到所需要的RTD温度检测范围对应。

Inadditiontothevoltagesourcebasedsignals,itisalsocommontouseacurrentsourcetocarryencodedanalogueinformation.除了​​电压源的信号，这也是通常使用一个电流源进行编码的模拟信息。

Thismethodofferssignificantnoiseimmunityovervoltagecarriers,sincebothcommonmodeandnormalmodeinducedvoltagescanbetoleratedwithoutsignificantlycorruptingthecurrentflowing.这种方法显着的运营商提供过电压噪声因为这两种常见模式和正常模式感应电压的免疫力，可以在不显着破坏的电流流过的耐受性。

FourtotwentymAcurrentloopsarefrequentlyusedovermoderatetransmissiondistances,forexamplefromonesideofafactorytotheother,toconveyanalogueinformation.四到二十毫安的电流回路中经常使用的传输距离超过中等，例如从一个工厂到另一个侧面，传达模拟信息。

Thelooptransmitterisgenerallysetupsothatthelowerendoftherequiredtemperaturerangecorrespondsto4mAandtheupperendto20mA.循环变送器普遍建立使所需温度范围的下限对应4mA和上端至20mA。

Thusshouldtheloopbecomebroken,resultinginatotallossofcurrent,thefaultcanbereadilydetected.因此，应循环会断裂，在目前的总损失，故障可以很容易地检测出来。

Effectivelytheanaloguesignalisencodedasa0-16mA,currentshiftedfromtheoriginby4mA.有效的模拟信号编码为016毫安，从产地转移的4mA电流。

Therangeoftemperaturesthatcorrespondtothesecurrents（usuallyknownasthespan）isdeterminedbytheuser,whomustprogramthetransmitteraccordingly.该温度对应这些电流（通常为跨度已知）的范围是由用户，谁必须相应方案的发射机。

Somelooptransmittersarepoweredbythe4mAcurrentcomponent,whileothersrequireanexternalpowersupply.有些环变送器供电的4mA电流分量，而有些则需要外部电源。

AnRTDDriveCircuit.RTD的驱动电路。

TheschematicshowninFigure4isdesignedtointerfaceaPT100toaPLCanalogueinputcard.在图4所示的原理图设计，接口PT100到PLC模拟输入卡。

Itofferstwooutputsignals;a0-5voltvoltagesignalanda4-20mAcurrentsignal.它提供两个输出信号，一个0-5伏的电压信号和4-20mA电流信号。

ThecircuitusesaWheatstonebridgearrangementtoderiveapositivevoltage,proportionaltotheincreaseinsensorresistancebeyondthebaseresistanceRo,whichcorrespondstothelowerendofthedesiredtemperaturerange,（inthiscase0ºC）.该电路采用惠斯登电桥的安排，以得出一个正电压，正比于超出了基极电阻RO，它对应于所需温度范围的下限，（在这种情况下，0℃）传感器电阻增加。

Figure4.图4。

ATemperatureMeasuringCircuitforthePT100.A为PT100温度测量电路。

ThrRTDisincludedinaWheatstonebridgearrangement（sometimesknownasaquarterbridgeconfiguration）,whichoperatesfromasplitpowersupply.苏氨酸RTD是包含在一个惠斯登电桥的安排（有时是4桥配置），它从一个分裂电源供电。

Howeverinthiscircuitthevoltagesuppliesarenotquiteequal.但是，在这种电路的电压供应不太平等的。

Thenegativerailisfixedat0.265voltswhilethepositiverailissetsothatthevoltageonthetopsideoftheRTDiszero,iesothatthebridgeisnulled.Thevoltagerequiredtonullthebridgewillvary,dependingonthetemperatureoftheRTD.负轨固定在0.265伏，而积极的轨道设置，以便对RTD的顶部侧电压为零，即让桥梁清空。

需要空桥的电压会有所不同，取决于温度RTD的。

Thereforetemperatureinformationisencodedinthepositivesupplypotential.因此温度信息被编码在正电源的潜力。

Thelefthandsideofthebridgeconsistsoftwoidenticalresistors,whichattheiruniongenerateacommonmodevoltagecontaininginformationrelatingonlytothetemperatureoftheRTD.桥的左侧由两个相同的电阻，这在他们的工会产生的共模电压只含有相关信息的RTD温度。

Aparticularlygoodfeatureofthistechniqueisthefactthattheoutputistrulylinearwiththeresistanceδr,andinaddition,theoutputvoltageisgroundreferenced.这种技术的一个特别好的特点是，输出是真正与电阻ΔR线性，此外，输出电压是接地的。

Thismeansthatthereisnocommonmodevoltagepresentthatmustberejectedbythedifferentialamplifier.这意味着，没有任何共模电压的情况下，必须由差分放大器拒绝。

CircuitAnalysis.电路分析。

Figure5showsthesimplifiedWheatstonebridgeandnullingamplifier.图5显示了简化的惠斯通电桥和调零放大器。

TheRTDisrepresentedby（R0+δr）,whereδrrepresentstheresistancevariationwithtemperature;theupperarmofthebridgeissettoRo,（thebaseresistance,correspondingtoTo）.在RTD是由（R0+ΔR）为代表的地方ΔR表示电阻随温度变化;桥的上臂设置为RO，（基阻力，对应到TO）。

Thepurposeofthenullingamplifieristodrivethevoltageattheinvertingterminaltozero,byadjustingV+appropriately.该归零放大器的目的是推动在反相端的电压由零V+适当调整。

Inparticular,whentheRTDtemperatureisTo,thenδr=0andV-=V+.特别是，当RTD温度为TO，然后ΔR=0和V-=V+。

Figure5.图5。

SimplifiedWheatstoneBridgeandNullingAmplifier.简化的惠斯通电桥和归零放大器。

Byapplyingtheprincipleofsuperpositionweobtain:

通过应用叠加原理，我们得到：

SothatV+becomes:

使V+变为：

Inthefigureabove,VoistheaverageofV+andV-,thuswefind:

在上图中，VO是V+和V平均-，因此，我们发现：

ThisresultisparticularlysatisfyingsinceVoislinearin这个结果是令人满意的，尤其是线性的，因为在VO

andthereisnocommonmodecomponent.有没有共同的模式组件。

If如果

volts*,then伏*，然后

andsinceweknowthattheresistanceofaPT100is138.5Ohmsat100oC,then，因为我们知道，一个PT100电阻为100欧姆138.5℃，然后

=0.385at100oC,andthuswefindthat=0.385在100℃，因此我们发现，

oralternativelyVoincreasesatarateof0.51mV/oC.，或者在VO增加了0.51mV/℃率。

Thisvalueisquitesmall,andinordertoachievemoreconvenientoutputlevelanamplifierisrequired,asshowninFigure4.这个值很小，并且为了实现更方便的输出电平放大器是必需的，如图4所示。

Foranoutputpotentialof5voltsat100oCthegainrequiredwillbe:

对于在100°C的5伏输出潜力的增益要求是：

*（0.265voltswaschosensoastolimittheselfheatingeffectintheRTD,asaresultofthebridgecurrent.）*（0.265伏的选择，以限制在RTD的自热效应作为桥梁当前的结果。

）

ThenoninvertingamplifiershowninFigure4