一、引言前段时间看到一篇文献《三线制 PT100 热电阻测温电路的设计》作者刘伟 李晶相关文章后面贴在附件中。里面介绍了利用运放搭建恒流源给PT100热电阻供电利用三线制测量原理消除导线引入的误差。二、系统原理PT100 传感器和现场仪表之间连线会较长接线的导线电阻将引入测量误差 因此在工业中常采用三线制消除导线引入的误差。三线制测量原理如图 1 所示。测量时导线电阻为 rL1、rL2、rL3三条导线采用同规格同长度因此RT 为 PT100 阻值测 量 端 U1 点 U2 点 的 测 量 电 路 采用高阻抗输入电路。 为测量 RT 的阻值在 U1 端加入恒定电流I。则电压 U1 为U1I×rL1RTrL2I×RT2rL (1)由于 U2 测量端为高阻抗输入端 因此在导线上没有电流流过所以U2I×rL3I×rL (2)由(1)式减去 2 倍的(2)式得U1-2U2I×RT2rL-2×I×rLI×RLUab (3)因此有RT U1-2U2/I (4)在公式4中已经消除了导线电阻 rL 对测量的影响可以看出测量仅需要提供一个恒定电流 I并测出 U1-2U2 即可。三、三线制测量电路的设计根据以上对三线制原理的分析设计热电阻三线制测量电路如图 2 所示电路由恒流源电路和差动放大电路两部分组成。 其中恒流源电路主要由电压基准芯片LM358-2.5和高精度运放KTA2333以及三极管Q1、Q2组成。恒流源电路由集成电压基准芯片LM385-2.5提供参考电压 Ud2.5V 因此运放的同相端③脚电压为 5V-Ud 根据运放虚短特性可以得出 U1.1 反相端②脚的电压也为 5V-Ud。 即三极管 Q1 的发射极电压为 5V-Ud而电流采样电阻 R2 两端的电压一端为 5V另一端接在了 Q1 的发射极所以加在 R2 两端的电压实际为5V-5V-UdUd。 所以流过 R2 的电流即为 IUd/R12.5V/2.7K≈0.926mA。 根据运放虚断特性R2 与 U1.1 反相端②脚之间是没有电流流过的 因此电阻 R2上的电流全部流入了三极管 Q1 的发射极而复合三极管 Q1、Q2的 IC1IE1-IB2其 中 IC1β1β2IB2由 于 Q1、Q2 的 β 值 一般均在 100 以上因此 IC110 000×IB2因此可以近似认为 IC1IE1误差为 0.01%以下可以忽略所以三极管 Q1 集 电极电流就是发射极电流并且在运算过程中消除了电源电压5V 的影响误差仅与电阻 R2与电压基准 U2 有关 因此 R2 电阻要选择温漂较小的金属膜电阻。差动放大电路主要由运算放大器 U1.2 以 及 电 阻 R3、R5~R9 组成其输入输出传递函数如下Uo (R9R8)/R9 * [ (R6 R7)/(R3 R5) * R5/R6 * U1 - R7/R6*U2 ] 11 * (U1 - 2U2)RT (U1-2U2)/II Ud / R2所以RT Uo/11/I (Uo * 2700 )/ (11 * 2.5)经运放 U1.2 差动放大后的信号经 R10、C4 进行低通滤波后送的 AD 转换器进行数字化测 量即可 根据测出的 RT 值查 找PT100 分度表并经插值运算即可得到温度值。 为了提高测量精度电路中运算放大器选用常用的KTA2333低噪声低温漂精密运算放大器。 它的输入失调电压小于 10μV输入偏置电流±100pA输入失调电压±120pV,失调电压漂移仅有 0.05μV/℃。四、其他功能介绍单片机采用STC的STC8H3K32S2-45I-LQFP32该芯片具有12位的ADC可以满足本方案的采样精度要求。并且在电路中增加TL431。用电位器调至准确的2.5V后经单片机采样后可以计算出电源电源从而准确的计算出PT100变送后的电压值。显示部分采用的是TM1650可以驱动4位8段数码管进行温度显示。通信部分采用的是MAX485通过RS485将温度值实时打印。电源部分采用XL2009降压芯片输入可以8V ~ 36V宽电压供电。五、调试过程1、先检测供电电源部分5V供电电源是否正常2、验证PT100电阻检测部分电路精度先测试PT100当前阻值为111.0R将PT100接到电路板上测量经运放放大后的输出电压为1.13V代入公式RT Uo/11/I (Uo * 2700 )/ (11 * 2.5) 算出电阻值为110.9R。查PT100分度表误差大概在0.25℃硬件部分的精度可以满足需求。3、程序部分调试这部分参照附件的程序代码。编译环境是基于Keil C51 V9.00 TKStudio V4.5.1六、成果展示该项目已在立创开源平台开源相关电路及程序请到立创开源查看。https://oshwhub.com/yinhaijun/shttps://zhuanlan.zhihu.com/p/574266000