一種雙冗余熱電阻/電壓轉換電路分析

摘要:針對一種產(chǎn)品中雙冗余Pt熱電阻溫度傳感器的轉換電路分析的需求,首先,研究了Pt熱電阻溫度傳感器的溫度特性和測溫原理;再采用orCAD/PSpice對轉換電路進(jìn)行了仿真分析,推導出轉換電路的函數關(guān)系,對轉換函數進(jìn)行了計算分析,明確了電路輸出電壓與輸入溫度之間存在良好的線(xiàn)性關(guān)系;電路實(shí)驗也驗證了對轉換部件分析結果的正確性;最后實(shí)現了產(chǎn)品的改進(jìn)設計和工程應用。實(shí)際工程應用的結果表明,電路分析的結果正確,能有效指導測溫轉換電路的調試和檢測。
　　熱電阻是一種測溫元件，它利用導體的電阻隨溫度變化的特性來(lái)測量溫度，工業(yè)上被廣泛用于測量中低溫區-200-500℃的溫度"。鉑電阻在氧化性介質(zhì)中,甚至在高溫下,其物理、化學(xué)性能穩定,因此其不僅用作工業(yè).上的測溫元件，而且還作為復現溫標的基準器。常用的方法是先測量鉑電阻的阻值,再查分度表)換算得到對應溫度值。文中所分析的產(chǎn)品使用了Pt50鉑電阻作為溫度傳感器,其測量電路采用了阻容和放大電路對鉑電阻兩端電壓進(jìn)行變換，使轉換電路的輸出電壓值與采樣溫度呈線(xiàn)性關(guān)系。根據項目需求,文中主要負責對傳感器轉換電路的工作原理和電路特性進(jìn)行分析,弄清楚輸入溫度與轉換電路輸出電壓之間的關(guān)系,同時(shí)能指導產(chǎn)品溫度轉換部件的生產(chǎn)調試和檢測。為了進(jìn)行電路分析,首先采用orCAD/PSpice對電路進(jìn)行了仿真計算叨,理清電路的工作原理,再用傳統的模擬電路分析方法0,對轉換電路的工作原理進(jìn)行分析。為了方便電路分析,專(zhuān)門(mén)搭建轉換電路的實(shí)驗板，配合電路的分析。
1熱電阻/電壓轉換電路分析
1.1Pt鉑電阻的溫度特性與測溫原理
　　根據鉑電阻與溫度的關(guān)系，在0~850℃范圍內為:
 
　　由式(1)和(2)可見(jiàn),Ro為基準值,其與材質(zhì)、純度和制造工藝水平有關(guān)，另一個(gè)對測溫有直接作用的因素是Pt電阻的溫度系數,即溫度每變化1C阻值的相對變化量,它本身也隨溫度變化。根據分度號是用來(lái)反映溫度傳感器在測量溫度范圍內溫度變化對應熱電阻阻值變化的標準數列，即熱電阻的電阻對應的溫度值。常見(jiàn)的Pt熱電阻的分度號有Pt10,Pt150,Pt100,Pt1000等，本文測溫使用了Pt50號的熱電阻。0~150℃范圍內典型的分度表如表1所示，表中數據在后面分析時(shí)使用。
 
　　為了保證測量精度,熱電阻接人轉換電路時(shí)一般采用三線(xiàn)制接法和四線(xiàn)制兩種接法，減少引出導線(xiàn)電阻對溫度測量的影響。電路采用了近似的四線(xiàn)制接法。四線(xiàn)制接法的工作原理如圖1所示
 
　　圖1中,1為恒流源,V為電位差計,r4為熱電,阻4根引線(xiàn)的電阻，在各自回路中無(wú)影響或可忽略不計。為了防止流經(jīng)熱電阻的電流(I)過(guò)大引起自熱影響測量精度,1不宜超過(guò)6mA。
1.2熱電阻/電壓轉換電路
　　熱電阻/電壓轉換電路如圖2所示。.
 
　　采用PSpice軟件對圖2所示的電路進(jìn)行參數掃描仿真分析,分析的結果如表2所示。表2中,V,和Vn的電壓為μV級,約等于0,而V。和Vm近似為反向電壓跟隨的關(guān)系。其中,Vx、Vy、Vn、Vp和Vw為電路中對應節點(diǎn)的電壓。
　　再根據圖2對電路工作原理進(jìn)行理論分析。熱電阻Rt以單端方式接人到一個(gè)普通的相加運算電路,Rt的下端(V,節點(diǎn))在外部接信號地。由+12V電源(VDD)、R3和Rt組成了一個(gè)近似的恒流源電路,在R,兩端形成電壓差，在經(jīng)過(guò)運算放大器反向電壓跟隨生成轉換電路的輸出Vm。電路的構成很簡(jiǎn)單，下面分析Vrw和Rt阻值之間的變換關(guān)系。
 
1.3雙冗余二選一驅動(dòng)電路
　　二選一與輸出驅動(dòng)電路由運放U1和U2、二極管D1和D2、PNP管Q1組成,如圖3所示。
 
　　由圖3與圖2對比，不同之處主要在反饋點(diǎn)接在了Q1管之后,且同時(shí)反饋到兩個(gè)運放,主要是為了配合D1和D2實(shí)現二選一且選高的作用。Q1主要是用于提高轉換電路溫度特性輸出的驅動(dòng)能力。
1.4信號調理電路
　　上述信號轉換電路輸出的幅值范圍很小，為此采用了如圖4所示的電路進(jìn)行放大處理。
 
　　經(jīng)過(guò)如圖4所示的反向比例放大電路,將Rt/電壓電路輸出的-0.28~-0.46V范圍的信號放大約12倍,得到傳感器的溫度特性輸出,范圍約3.5~5.5V。此外,采用PNP管提高電路的輸出驅動(dòng)能力以方便使用。該電路的轉換函數為:
 
　　至此,，電路的工作原理分析完成，下面對電路的特性進(jìn)行分析,并對分析的正確性進(jìn)行驗證。
2電路特性分析與驗證
2.1電路特性分析
　　根據之前的分析結果，將Pt50鉑電阻0~150℃范圍內部分典型值進(jìn)行輸出特性分析,如表3所示。
 
　　表中,t一溫度,Rt一熱電阻對應阻值,△Rt一每10℃Rt的增量,Vrw一熱電阻/電壓轉換電路輸出△Vrw一每10℃Vrw的增量,Vrt一溫度特性電路輸出。
　　由表3可見(jiàn),Vrw的幅值較低,范圍也很小,但是從△Vrw欄來(lái)看,在0~150℃范圍內，輸出電壓與輸人溫度之間有較好的線(xiàn)性關(guān)系:
 
　　再經(jīng)過(guò)信號調理以后,靈敏度大幅提高。同時(shí),也說(shuō)明完全可以使用轉換電路的輸出電壓Vrt代替輸人溫度參與后續的模擬計算。
　　為了實(shí)現轉換電路的重復性，電路板設計時(shí)圖3中R1*和R2*各由1對精密電阻實(shí)現,在調試時(shí)采用電位計或電阻箱確定總的電阻值，再在電阻系中選用2個(gè)電阻匹配得到實(shí)際焊裝在電路板上的電阻。實(shí)際生產(chǎn)時(shí)以Vrm輸出0V和6V以及Rt取75Ω時(shí)的輸出電壓作為選配電路中R1*、R2*的阻值依據,并對輸出結果進(jìn)行標定。選取的標定參數如表4.所示。
 
　　為了保證轉換電路的精度，在產(chǎn)品的實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，所有參與傳遞函數運算的電阻選用指定級別的精密電阻,其他選用普通電阻即可。
2.2電路測試
　　在理論分析的同時(shí)，還采用面包板搭建了該轉換電路的實(shí)驗板,配合理論分析結果的進(jìn)行驗證。項目分析完成之后,還完成了樣機的生產(chǎn)。根據項目需求,使用電阻箱模擬Pt50溫度傳感器進(jìn)行測試。表5為樣機試制過(guò)程中測試記錄的一組數據。首先,根據表4標定R1*的阻值為102.32kΩ,R2*阻值為102.10kΩ。其次,斷開(kāi)第二路電阻箱，測得第一路轉換電路的典型參數。
 
　　表5中滿(mǎn)量程取值為6V,測量精度都滿(mǎn)足引用誤差≤1%FS的技術(shù)要求，且實(shí)驗測試與理論分析的結果相符。
3結束語(yǔ)
　　文中根據項目開(kāi)發(fā)的需求,對一種雙冗余Pt熱電阻/電壓轉換電路進(jìn)行了仿真分析和理論分析,并通過(guò)對所推導得出的轉換函數進(jìn)行計算分析，證明并驗證了轉換電路輸出的電壓值與采樣溫度之間有良好的線(xiàn)性關(guān)系，通過(guò)對實(shí)驗電路板和樣機的測試，驗證了分析的正確性。實(shí)際工程應用情況表明,分析的結果完全能夠指導產(chǎn)品生產(chǎn)，項目研究達到了預期目的。