高精度测温电路

高精度测温电路 设计报告

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目录

一、 摘要……………………………………………………3

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二、 测量电路分析…………………………………………3

三、 放大电路分析…………………………………………5

四、 电路的调试……………………………………………8

五、 经费统计………………………………………………9

六、 参考文献………………………………………………9

附：实验数据记录与分析

一、摘要

本文介绍一种简单实用的四线制PT100测温电路。运用OP07实现三运放的仪用放大，100倍可调放大，用于测量0℃至80℃的温度。以恒流源为PT100提供电流，通过它的电压变化，反映温度的变化。本文提供电路原理图，并给出了该电路的参数计算公式和电路误差

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的调整方法。

关键字：PT100 恒流源 四线制 仪用放大 Abstract

Thispaper introduces a simple and practical four-wirecircuitPT100 temperature measurement circuit. Use the instrument amplifier with three OP07 chips, 100 times adjustable amplifier.This circuit is used to measure 0 ℃ to 80 ℃ temperature. The constant flow source offers current for PT100.When its voltage changed ,it can reflect the change of temperature. This paper provides the circuit principle diagram, and gives the method to adjusting the error of circuit and provides circuit parameters calculation formula.

Keywords: PT100 constant flow source four-wirecircuit the instrument amplifier

二、测试电路分析 （1） 传感器的选择： 热敏电阻与热电偶的选择：

热敏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,一般测温度在-200~800℃。测量精确度最高的铂热电阻不仅应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪。热电阻是利用金属导体或半导体有温度变化时本身电阻也随着发生变化的特性来测量温度的，热电阻的受热部分(感温元件)是用细金属丝均匀地绕在绝缘材料作成的骨架上或通过激光溅射工艺在基片形成。当被测介质有温度梯度时，则所测得的温度是感温元件所在范围内介质层的平均温度。热电阻测温系统一般由热电阻、连接导线和显示仪表等组成。

热电偶的特点是测量精度高，因热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影响。测量范围广，常用的热电偶从-50~1600℃均可连续测量。构造简单，使用方便。热电偶通常是由两种不同的金属丝组成，而且不受大小和开头的，外有保护套管，用起来非常方便。热电偶是一种感温元件,它能将温度信号转换成热电势信号,通过电气测量仪表的配合,就能测量出被测的温度。热电偶测温的基本原理是热电效应。在由两种不同材料的导体A和B所组成的闭合回路中,当A和B的两个接点处于不同温度T和To时,在回路中就会产生热电势。这就是所谓的塞贝克效应。导体A和B称为热电极。温度较高的一端叫工作端(通常焊接在一起)；温度较低的一端叫自由端(通常处于某个恒定的温度下〉。在热电偶回路中接入第三种金属材料时,只要该材料两个接点的温度相同,热电偶所产生的热电势将保持不变，即不受第三种金属接入回路中的影响。因此,在热电偶测温时,可接入测量仪表,测得热电势后,即可知道被测介质的温度。

根据本次实验的要求，测量精度在0.1℃，由于热电偶的测量精度很难超过

0.2℃，而热电阻的测量精度要比热电偶高一个数量级，且稳定性好。在振动小而适宜的环境下，可在很长时间内保持在0.1℃以下的稳定性。且本次的实验，测量的是物体空间的平均温度，故将采用Pt100A热敏电阻。Pt100主要用来测量-200℃至+600℃的温度，热敏度

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为0.38Ω/℃。国际标准规定的Pt100测量精度允许偏差为：在0℃时A级的阻值为100±0.06Ω，B级为100±0.12Ω。市面价格大约在20至30元，能够接受。

（2） 引线方式：

Pt100在测量时需要引出导线，从热电阻的测温原理可知，被测温度的变化是直接通过热电阻阻值的变化来测量的，因此，热电阻体的引出线等各种线电阻的变化会给温度测量带来影响，引起连接导线电阻的变化主要有:导线长度的变化,导线接头处接触电阻的变化,重接线引起的电阻变化,还有环境温度的变化以及测量线路中寄生电势等。

目前热敏电阻主要有以下三种引线方式：

二线制：在热电阻的两端各连接一根导线来引出电阻信号的方式叫二线制。这种引线方法很简单，但由于连接导线必然存在引线电阻r，r的大小与导线的材质和长度的因素有关，因此这种引线方式只适用于测量精度较低的场合

三线制：在热电阻的根部的一端连接一根引线，另一端连接两根引线的方式称为三线制，这种方式通常与电桥配套使用，可以较好的消除引线电阻的影响，是工业过程控制中的最常用的。

四线制：在热电阻的根部两端各连接两根导线的方式称为四线制，其中两根引线为热电阻提供恒定电流I，把R转换成电压信号U，再通过另两根引线把U引至二次仪表。可见这种引线方式可完全消除引线的电阻影响，主要用于高精度的温度检测。

本次实验采用三线制桥式电路接法。采用三线制是为了消除连接导线电阻引起的测量误差。这是因为测量热电阻的电路一般是不平衡电桥。热电阻作为电桥的一个桥臂电阻，其连接导线也成为桥臂电阻的一部分，这一部分电阻是未知的且随环境温度变化，造成测量误差。采用三线制，将导线一根接到电桥的电源端，其余两根分别接到热电阻所在的桥臂及与其相邻的桥臂上，这样消除了导线线路电阻带来的测量误差。图（1）为稳压电路可以为图（2）提供4.096的参考电压，取代5V电源，TL431为稳压管。图（2）中以R13代替热敏电阻，当温度为零时输出电压理论值为0V，随着温度的变化，热敏电阻的电阻发生改变，就引起了压差的变化，由此计算出当前测量的温度。

图（1）

图（2）

三、放大电路分析

本次试验中热敏电阻要测量的温度范围是0℃至80℃，而Pt100的热敏度为0.38Ω/℃，所以热敏电阻阻值的最大变化范围是100Ω至130.4Ω，通过恒流源对其提供

I4.094VmA的电流，所以热敏电阻上的压降范围约为87.1mV至113.6mV,由此考虑放大

4.7K4

电路放大100倍。从电路的性能看，单级放大器的倍数做得太大，稳定性和信噪比就要下降，对信号放大不利。因此往往要采用各种负反馈来改善放大器性能。多级放大器有利于加入各种负反馈，而且可以合理地安排前后各级工作重点，这样有利于获得良好的放大效果，故采用两级放大。一般前级要抑制噪声影响，放大倍数应较小，后续放大再调整到要求的放大倍数。具体放大电路如图（3）所示：其中U1、U2、U3为OP07运算放大器，Rw和R5为10K精密可调电阻。

图（3）

首先选定R1,R2为10K的电阻，设定前级放大为5倍，后级放大20倍。 由关系式：

U02U01可得：5R1R2Rw(Ui1Ui2)

Rw210KRw,解得Rw约为5K，所以选择10K可调电阻，同时也可通过调整Rw

Rw调整放大电路的放大倍数。后级的20倍放大，选择R4、R6为100K。 由关系式：

U0R4(U02U01) R3可得：R3≈4.7K，实际放大约为21.3倍。因为电阻的100K和4.7K都不是精确值，而后级差动放大的电阻精度要求很严格，必须符合

R4R6 R3R5所以选择R5为10K精密可调电阻。综上所述该三运放的总的放大倍数为：

AuR4RR2(11)。 R3Rw

输入阻抗与共模抑制比：在第二级放大中，输入阻抗不够高，会使输入电压降低，不能有效放大，于是在同相端和反相端加上电压跟随器。在第一级中将这两个电压跟随器改成同相放大器，它对差分增加相同的增益，也对共模信号增加相同的增益，因此，它对原电路的共模抑制比并没有增加。现在引入电阻Rw,取代了原同相放大器接地端上方的两个电阻，整

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个差分输入电压现在都呈现在Rw两端。因为输入电压经过放大后（在A1 和A2的输出端）的差分电压呈现在R1，Rw和R2这三只电阻上，所以差分增益可以通过仅改变Rw进行调整。对于该系统的第二级的放大，其共模电压增益Acm为：

Acm因为本电路中满足

V0R5RR 4(14)VcmR3R3R5R6R4R6，所以共模电压增益Acm应为零。 R3R5V0R5R1R[4(14)] Vt2R3R3R5R6其差模增益Ad为：

Ad当

RR4R6RR时，差模增益Ad4。但在实际电路中并不能完全做到46，它们的电R3R5R3R3R5阻会存在误差，最差的情况下只能满足

R4(1k)R6(1k)

R3(1k)R5(1k)对于差模增益，虽然电阻存在误差为k，但因为k<<1，故差模增益仍为Ad2可是共模增益为：

R4。 R3R41kR41kR41kV0Acm1

VcmR31kR41kR31kR31k整理可得：

Acm所以

4kR4

R3R41Ad2| 4kKCMR220lg|对于该系统的第一级放大，其差模增益为

Ad112综上可知，整个系统的共模抑制比

R1 Rw1Ad2R KCMRAd1KCMR212120lgR24k由此可以看出，系统的共模抑制比受到电阻的误差影响比较大，所以要选择误差尽量小的电阻，对于相同阻值的电阻要选择同一批次，使其偏差尽量相同或者接近。

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失调电流与失调电压：当输入失调电压VIO，输入失调电流IIO不为零时，运算电路的输出电压将产生误差。根据VIO和IIO的定义，将运放用图（4）来等效，其中的小三角符号内代表理想运放。

图（4）

利用戴维宁定理和诺顿定理可将两输入端化简，如图（5）所示。 则：

图（5）

IVPIIBIOR2

2IR1IIBIOR1//RFVIO

R1RF2因为AVO趋于无穷，有VPVN，则由上两式求出

VNVO1VIR//RRIIOR1//RfR2 IOIB1f22将电路中的两输入端均接地，在VIO、IIB和IIO的作用下，产生的输出电压即是绝对误

差。若R2R1//Rf，由IIB引起的误差可以消除。

输出电压变为：

RfVo1R1RfVO1VIOIIOR2

R1由上式可见，1Rf和R2越大，VIO和IIO引起的输出误差电压也就越大。所以，减R1小误差的办法是选用失调及温漂小的高精度运放，也可以在输入级加调零电位器或在输入端加一补偿电压或补偿电流，以抵消VIO和IIO的影响，使VO为零。在本次实验中，采用恒流源输入，减小偏置电流的影响，另外可调电阻R5可在输入端全部接地的情况下调节，使输出电压降到最低甚至为零，从而将失调电压和失调电流的影响降到最低。

由OP07的芯片资料可知，OP07的工作电压为±3V~±18V，原则上应采用双电源供电，使用单电源供电的时候不会有负电压输出，且不容易调整输出零点。所以对于OP07选择±15V的双电源供电，±15V是该芯片的最佳工作电压，能够发挥出该芯片的最佳性能。

四、电路的调试

电路原理图（6）所示：

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图（6）

1） 将Rw 10K精密可调对着数字万用表调节到5K。 2） 将R5精密可调调到4.7K左右。 3） 根据图（6）连接好电路。

4） 将两个输入端接地，用万用表接输出端，调节R5精密可调知道输出电压为零，再把两

个输入端都接到同一个信号发生器，信号发生器输出一个小交流电压（几个mV，1KHz），把放大器的输出接到交流毫伏表，再细调R5，使交流毫伏表显示最小值。 5） 将PT100的两条引线接到放大器的两个同相端，开始测试。

6） 用万用表的红表笔接到测试点1，黑表笔接到测试点2，测得同相输入端的输入电压。

理论应为4.094V。

7） 将万用表红表笔接4，黑表笔接3，可测到该温度下PT100两端的电压V1。 8） 再将万用表的红表笔接5，黑表笔接6，可测得一级放大后的电压V2,应等于5V1。 9） 将万用表红表笔接7，黑表笔接8，可测得二级放大后的电压V3，应等于106.4V1。

五、经费统计

名称 PT100 TL431 OP07 小计 价格 >25元 <1元 1至2元 30元至34元 数量 1 1 4

六、参考文献

1、 电子技术基础.模拟部分 康华光主编； 华中科技大学电子技术课程组编.5版. 北京

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高等教育出版社，2006.1

2、 运算放大器电路 （日）内山明治，（日）村野靖著，陈镜超（译）； 北京科学出版社，

2009.1

3、 四线制方向电路修改探讨 杜文胜著； 铁道通信信号， 2010.3

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