PT100铂热电阻测温实验

PT100铂热电阻测温实验(预习报告)

一、实验原理

1.铂热电阻工作原理

铂热电阻的电阻值可以随温度而上升，因而可以用来测量温度。铂电阻用来测量温度有很多其它金属所无法比拟的优点：温度和电阻的关系接近于线性关系，偏差极小，且性质稳定，不随时间和化学环境的变化而有明显的变化，可靠性好，热响应时间短。PT100铂热电阻是指该电阻在0摄氏度的时候电阻值为100欧。

2.实验设计电路

目前使用铂热电阻测量温度的主要方法有电桥式和恒流源式，目前用于气象温度测量的主要是恒流源式的方法。

因为本实验的目的主要在于探究铂电阻在测温中的应用，所以在这里我把两种方案都讨论一下。

首先是恒流源式的铂电阻测温电路，其基本原理如图1所示

图1恒流源式铂电阻测温电路

恒流源与铂电阻组成电流回路，放大器和铂电阻组成电压回路。电流回路中的电流是恒定的，当铂电阻的电阻值随温度发生变化时，其两端的电压会发生相应的变化，放大器是输入阻抗极大的集成电路，因此电压回路中的电流极小，铂电阻两端的电压可以经过很长的导线传输而几乎没有损失，消除了导线电阻的影响，放大器的输出经过A/D转换器即可转换为相应的数字信号。在这种检测电路中，对恒流源以及A/D转换电路参考电压的准确度和稳定性要求比较高，会给最后的温度测量带来一定的误差。

如图2 所示为我设计的恒流源

图2我设计的恒流源1

该恒流源输出可调，可以控制测量系统的灵敏度，输入输出关系为

I out =V in −0.7R 1

推导过程：由于运算放大器处于深度负反馈状态，所以有Vin=V1，三极管上压降大约为0.7V ，所以V2=Vin -0.7，由此流过电阻的电流为

I e =V in −0.7R 1

由于三极管的射极电流和集电极电流大致相等，所以有

I out ≈I e =V in −0.7

R 1

上图所示的电路中输入电压在10V 的时候，输出电流为5mA 。

虽然上图中所示电路较为精确，不过因为输出没有接地，所以电压是浮空的。对于有接地要求的测量无法满足要求，所以有改进型的Howland 电流源，如 图 3 所示。

图 3我设计的直流电源2

该可控恒流源的输入输出关系为

I out =

V in ∗A V R 5

A v

=

R 3R 1

=

R 4R 2

上图所示的电路中输入电压为10V 时输出电流为5mA 。

推导过程：根据放大器深度反馈时具有的深度反馈的性质有下列等式成立

U 4=U 6−U 2R 4+R 2∗R 2+U 2=R 2∗U 6+R 4∗U 2

R 2+R 4

U 3=

U 5−U 1R 3+R 1∗R 1+U 1=R 1∗U 5+R 3∗U 1

R 1+R 3

U 4=U 3

在R3=R4,R1=R2,的条件下可以推出下列等式

R 1(U 6−U 5)=R 3（U 1−U 2）

又因为

V in =U 1−U 2

I out =(U 6−U 5)R 5

+

-U1U2

所以

I out=V in∗A V

R5A v=R3

R1

=R4

R2

接下来讨论电桥式铂电阻测温的方法，也就是实验指导书中要求的方法，电桥式铂电阻测温常用的有三线制和四线制，分别如图4 图5所示。

图 4 三线制电桥法铂电阻测温

图 5 四线制电桥法测温

由于实际测量中，电阻变化不大，且需要减小测量电路对电桥的影响，所以我们需要加上一个前级放大。我们对前级放大的要求有：输入输出线性度好，电路产生噪声小，输入阻抗越大越好，比较好的选择是仪用放大器，不过由于要求是使用运算放大器，所以我们设计了一个差分放大器如图6 所示。

图 6 差分放大器设计

该放大器的输入阻抗约为集成运放的输入阻抗，由于是差分放大，能有效抑制共模噪声，在不超过0.9倍电源轨的情况线性度非常好。该电路在R3=R1，R5=R4,R6=R7的情况下，输入输出方程为

V out =（R 2+R 1）R 2∗R 6

R 4

(V 1−V 2)

上图中的电路放大倍数为6倍。

推导过程：如图所示，根据放大器虚短虚断可以推出下列等式

V 3=V 1−V 2−V 1

R 2∗R 1=(R 2+R 1)V 1−R 1∗V 2R 2

V 4=V 2−V 1−V 2

R 2∗R 3=(R 3+R 2)V 2−R 3∗V 1R 2

V out =

V 3R 6（R 5+R 7）（R 4+R 6）R 5

−V 4R 7

R 5

在R3=R1R5=R4,R6=R7的时候，这些等式可以化简为

V out =

（R 2+R 1）R 2∗R 6

R 4

(V 1−V 2)

二、 实验目的

通过自行设计热电阻测温方案，加深对温度传感器工作原理的理解。了解铂热电阻的特性与应用。掌握测温电路的设计与实验数据的分析方法。 三、 实验内容

设计pt100铂热电阻测温电路。测量pt100的温度与电压关系，要求测温范围为室温~65℃，误差允许范围：±2℃，输出电压为0~4V ，输出以电压方式记录。通过测量所得数据进行误差分析。 四、 实验设备

pt100铂热电阻，面包板，传感器实验仪，双路直流稳压电源，数字万用表。

Vout

V1