PT100温度测量试验

内燃机测试技术试验
实验
PT100热电阻温度测量试验
实验学时：2
实验类型：基础型
实验对象：本科生
一．实验目的：
1.了解热电阻温度测量基本原理。

2.了解PT100热电阻温度特性。

3.掌握PT100热电阻恒流温度测量电路实现和关键参数计算。

二．实验原理及设备说明
1.热电阻温度测量基本原理
热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。

它的主要特点是测量精度高，性能稳定。

其中铂热电阻的测量精确度是最高的，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪。

金属热电阻的感温元件有石英套管十字骨架结构，麻花骨架结构得杆式结构等。

金属热电阻常用的感温材料种类较多，最常用的是铂丝。

工业测量用金属热电阻材料除铂丝外，还有铜、镍、铁、铁—镍、钨、银等。

薄膜热电阻是利用电子阴极溅射的方法制造，可实现工业化大批量生产。

其中骨架用陶瓷，引线采用铂钯合金。

热电阻材料热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的。

热电阻大都由纯金属材料制成，目前应用最多的是铂和铜，此外，现在已开始采用镍、锰和铑等材料制造热电阻。

金属热电阻的电阻值和温度一般可以用以下的近似关系式表示，即
Rt=Rt0[1+α（t-t0）]
式中，Rt为温度t时的阻值；Rt0为温度t0（通常t0=0℃）时对应电阻值；α为温度系数。

半导体热敏电阻的阻值和温度关系为
Rt=AeB/t
式中Rt为温度为t时的阻值；A、B取决于半导体材料的结构的常数。

相比较而言，热敏电阻的温度系数更大，常温下的电阻值更高（通常在数千欧以上），但互换性较差，非线性严重，测温范围只有-50~300℃左右，大量用于家电和汽车用温度检测和控制。

金属热电阻一般适用于-200~500℃范围内的温度测量，其特点是测量准确、稳定性好、性能可靠，在程控制中的应用极其广泛。

工业上常用金属热电阻从电阻随温度的变化来看，大部分金属导体都有这个性质，但并不是都能用作测温热电阻，作为热电阻的金属材料一般要求：尽可能大而且稳定的温度系数、电阻率要大（在同样灵敏度下减小传感器的尺寸）、在使用的温度范围内具有稳定的化学物理性能、材料的复制性好、电阻值随温度变化要有间值函数关系（最好呈线性关系）。

目前应用最广泛的热电阻材料是铂和铜：铂电阻精度高，适用于中性和氧化性介质，稳定性好，具有一定的非线性，温度越高电阻变化率越小；铜电阻在测温范围内电阻值和温度呈线性关系，温度线数大，适用于无腐蚀介质，超过150易被氧化。

中国最常用的有R0=10Ω、R0=100Ω和R0=1000Ω等几种，它们的分度号分别为Pt10、Pt100、Pt1000；铜电阻有R0=50Ω和R0=100Ω两种，它们的分度号为Cu50和Cu100。

其中Pt100和Cu50的应用最为广泛。

2. PT100热电阻温度特性
PT100是铂热电阻，它的阻值会随着温度的变化而改变。

PT后的100即表示它在0℃时阻值为100欧姆，在100℃时它的阻值约为138.5欧姆。

下面是PT100的温度分度表。

表1 PT100温度分度表
3. PT100温度测量电路的实现和关键参数计算
PT100热电阻测量电路基本上可以分为两种型式，一种是电阻分压式，另外一种就是恒流源方式。

其中电阻分压式原理最为简单，只是让PT100和一个电阻串联后接到稳定的电源上，然后通过放大器对信号进行放大，最好输入到控制器中的AD采集口，控制器采集数据后进行线性差值或其他差值算法反算出温度值。

该种方式的优点是实现思路明了，缺点是线性度和准确性差，因为电阻分压本身就是非线性的，而且该种方式误差因素比较多，如电源的稳定性，电阻的离散性等；而且该种方式一个比较关键的问题就是温度变换范围大，而实际分压信号变换非常小，因此为了和控制AD采集接口电平对应，必须进行信号放大，这对放大器的设计提出了比较高的要求，故总的来说，电阻分压式的测量方式适合在要求不高的场合。

另外的测量方式就是恒流源方式，其实在一般的传感器测量
电路中，恒流源激励稳定性和准确度上都是比电压源激励要好，特别是在精密的测量控制中。

恒流源激励的关键是就是产生恒定的电流，这可以通过运放来实现恒流源的两种实现方式如图1所示。

左边的电路为灌电流的电流源，其特点是电流只能流入，负载一般接到高端，也即负载高端连接方式，恒流通过负载和恒流源构成电流通路，计算公式如图下公式所示，这里必须注意的就是输入信号必须为正，因此可以采用单电源的运放实现。

右边的电路则是拉电流的电流源，其基本实现方式和灌电流方式相对应，但是必须注意的是这里是采用的负电源实现的，输入信号必须为负，否则电路不能工作。

以上两种电流源的实现是最根本的实现方式，其中灌电流方式可以采用但电源的运放实现，但是负载是不接地的高端连接方式，因此不是非常方便，而拉电流方式必须有负电源，这对于现在的单电源趋势非常不利，因此实际使用过程中可以采用其他的方式进行改进，既能保证负载是接地方式，也能保证是恒流源方式，这样的电路其实关键是在单电源的方式下实现拉电流。

当然，单运放的实现方式比较难以实现，但是可以通过运放的组合来实现该功能，一般通过两运放，或者三运放来实现。

图2是本次试验采用的电路图
图1 电流源的两种方式
图2 PT100温度测量电路
该电路工作原理和计算过程如下：
TL431为电压基准源，输出为2.5V，这里设为Vref，运放采用了运放集成的MC33202；
设定运放的3引脚电压为V1，则运放的2引脚和1引脚电压均是V1；
设定运放的5引脚电压为V2,则运放的6引脚电压也是V2,
设定运放的7引脚电压为V3,
根据运放的特性和电流节点方程如下：
(V1-V2)/R3=(V2-Vref)/R4
(V3-V2)/R1=V2/R4
为了简化计算，设定R1=R2=R3=R4,这样可以得到：
V1+Vref=2*V2
V3=2*V2
于是R5的电压差为：
V3-V1=2*V2-(2*V2-Vref)＝Vref
由于Vref是电压基准源，因此R5中的电流为：I=Vref/R5
这就实现了恒流源，而且是负载接地的拉电流方式。

三．实验内容
1.设计实现上面的恒流源电路，并对元件参数进行计算
2.测量PT100在不同温度下的电压值，根据电流计算电阻值，然后查PT100分度表对温度进行估算。

3.用温度计记录上面不同温度下的读数，两者进行对比。

四．实验设备和仪器
稳压电源：MPS－300L-3
示波器：RIGOL DS1302CA
电路试验板
烙铁等焊接工具
PT100温度传感器
温度计
产用电子元器件，电阻电容和运放（MC33202和TLC272）等
个人计算机
五．实验结果分析
1.不同温度下，PT100传感器两段电压值。

2.不同温度下，温度计读数。

3.两者温度曲线对比分析
4.绘制PT100分度表曲线（上面分度表中红色部分）
六．思考题
1.温度测量中的恒流源设计怎么确定电流大小，需要从什么方面考虑？（电流产生热量，导致传感器温升，带来误差）
2.该种测量方式中，如果传感器短路和短路，输出各是什么电平，为什么？
3.该种测量方式中，采用TLC272和MC33202时，传感器开路情况下，为什么输出电平不一样，什么原因？（查阅TLC272C和MC33202手册）。