基于RTD傳感器電路的良好性能分析

RTD傳感器的標(biāo)準(zhǔn)使用方式是把它包含在后接一個(gè)差分放大器的橋路中。問(wèn)題在于，兩個(gè)非線性因素（一個(gè)來(lái)自傳感器，一個(gè)來(lái)自橋路）會(huì)影響傳遞函數(shù)。一些方法試圖避免這個(gè)問(wèn)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(gè)額外電阻，但它既未提供設(shè)計(jì)指導(dǎo)原則，也未提供結(jié)果。本設(shè)計(jì)實(shí)例填補(bǔ)了這個(gè)空白。雖然電路分析有些復(fù)雜，但性能很好，并且該電路使用的元件很少。

除了鉑RTD（R？Θ）以外，該電路只有6個(gè)精密電阻、1個(gè)運(yùn)算放大器、1個(gè)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(cè)量的溫度有關(guān)。借助恰當(dāng)設(shè)計(jì)，該電路可在多種輸入溫度提供良好的線性和穩(wěn)定性。輸出電壓VO按以下方式依賴(lài)于電路元件：

其中YI=1/RI，I=0 至 4。

對(duì)于正溫度，以下形式的二次多項(xiàng)式可近似表示RTD特性：

其中R0是0℃時(shí)的傳感器電阻，α和β是系數(shù)，Θ是被測(cè)溫度。首先替換第二個(gè)方程，并做一些變換后，得到：

其中B、C、K是常數(shù)，f（Θ）是溫度的函數(shù)。圖2描繪了f（Θ）的一般形狀。當(dāng)f（Θ）盡可能接近于常數(shù)時(shí)，輸出電壓以線性關(guān)系依賴(lài)于溫度。這種情況在f（Θ）的極小點(diǎn)周?chē)钫_。一些額外的關(guān)系規(guī)定輸出電壓在0℃時(shí)為0V，轉(zhuǎn)換系數(shù)為10 mV/℃，函數(shù)f（Θ）的最小值在測(cè)量范圍中心，流過(guò)RΘ的電流導(dǎo)致的傳感器自熱可忽略不計(jì)。

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(zhǔn)表擬合了13個(gè)點(diǎn)，范圍是0至600℃，步長(zhǎng)為50℃。該電子數(shù)據(jù)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。

電路所有電阻的公差為0.02%，溫度系數(shù)為50 ppm/℃。可使用兩個(gè)微調(diào)電位器VR1和VR2來(lái)獨(dú)立調(diào)節(jié)0讀數(shù)和范圍讀數(shù)。應(yīng)該在550℃執(zhí)行范圍調(diào)節(jié)，以便匹配正誤差和負(fù)誤差的大小。在不超過(guò)基本非線性的前提下，還可擴(kuò)展溫度范圍，使它不從0℃開(kāi)始，而是從–100℃開(kāi)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(duì)準(zhǔn)確度的影響。

表1描述了該電路性能的評(píng)估結(jié)果，采用了校準(zhǔn)的精密十進(jìn)制電阻、校準(zhǔn)的4.5位萬(wàn)用表（讀數(shù)環(huán)境溫度為24℃和68℃）、±12/±15/±18V電源、0/5Ω電纜電阻。