摘要：本文回顾了通用温度传感器的主要特性，重点介绍RTD PT100温度变送器，并提供了一种简单的方法对PT100输出信号进行线性化处理和调理。
温度是非常重要的物理参数，
热电偶和
热敏电阻(RTD)适合大多数高温测量，但设计人员必须为特定的应用选择恰当的传感器，表1提供了常用传感器的选择指南。
表1. 传感器特性
| Feature |
Thermocouple |
RTD |
| Response time |
Better |
|
| Maximum temperature |
Higher |
|
| Ruggedness |
Better |
|
| Cost efficiency |
Better |
|
| Accuracy |
|
Better |
| Long-term stability |
|
Better |
| Standardization |
|
Better |
RTD具有较高的精度，工作温度范围：-200°C至+850°C。它们还具有较好的长期稳定性，利用适当的数据处理设备就可以传输、显示并记录其温度输出。因为热敏电阻的阻值和温度呈正比关系，设计人员只需将已知
电流流过该电阻就可以得到与温度成正比的输出
电压。根据已知的电阻-温度关系，就可以计算出被测温度值。
电阻值随温度的变化称为“电阻的
温度系数”，绝大多数金属材料的温度系数都是正数，而且许多纯金属材料的温度系数在一定温度范围内保持恒定。所以，热敏电阻是一种稳定的高精度、并具有线性响应的
温度检测器。具体应用中选用哪一种金属材料(铂、铜、镍等)取决于被测温度范围。
铂电阻在0°C的标称电阻值是100Ω，尽管RTD是一种标准化器件，但在世界各地有多种不同的标准。这样，当同一标准的RTD用在不同标准的仪表设计中时将会产生问题。
表2. 铂电阻RTD的公共标准*
| Organization |
Standard |
ALPHA (α): Average Temperature Coefficient of Resistance (/°C) |
Nominal Resistance at 0°C (Ω) |
| British Standard |
BS 1904: 1984 |
0.003850 |
100 |
| Deutschen Institut für Normung |
DIN 43760: 1980 |
0.003850 |
100 |
| International Electrotechnical Commission |
IEC 751: 1995 (Amend. 2) |
0.00385055 |
100 |
| Scientific Apparatus Manufacturers of America |
SAMA RC-4-1966 |
0.003923 |
98.129 |
| Japanese Standard |
JIS C1604-1981 |
0.003916 |
100 |
| American Society for Testing and Materials |
ASTM E1137 |
0.00385055 |
100 |
*Sensing Devices, Inc.生产满足上述标准的铂电阻RTD。
铂金属的长期稳定性、可重复操作性、快速响应及较宽的工作温度范围等特性使其能够适合多种应用。因此，铂电阻RTD是温度测量中最稳定的标准器件。以下公式描述了PT100 RTD的特性，显然它的温度与电阻呈非线性关系：
R
T = R0(1 + AT + BT² + C(T-100)T³)
其中：
A = 3.9083 E-3
B = -5.775 E-7
C = -4.183 E-12 (低于0°C时)或0 (高于0°C时)。
表3是表格形式。
表3. 电阻/温度表**，385铂电阻，0°C时为100.0Ω
| °C |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
| -100 |
60.26 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| -90 |
64.3 |
63.89 |
63.49 |
63.08 |
62.68 |
62.28 |
61.87 |
61.46 |
61.06 |
60.66 |
| -80 |
68.32 |
67.92 |
67.52 |
67.12 |
66.72 |
66.31 |
65.91 |
65.51 |
65.1 |
64.7 |
| -70 |
72.33 |
71.93 |
71.53 |
71.13 |
70.73 |
70.33 |
69.93 |
69.53 |
69.13 |
68.73 |
| -60 |
76.33 |
75.93 |
75.53 |
75.13 |
74.73 |
74.33 |
73.93 |
73.53 |
73.13 |
72.73 |
| -50 |
80.31 |
79.91 |
79.51 |
79.12 |
78.72 |
78.32 |
77.92 |
77.52 |
77.12 |
76.73 |
| °C |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
| -40 |
84.27 |
83.88 |
83.48 |
83.08 |
82.69 |
82.29 |
81.9 |
81.5 |
81.1 |
80.7 |
| -30 |
88.22 |
87.83 |
87.43 |
87.04 |
86.64 |
86.25 |
85.85 |
85.46 |
85.06 |
84.67 |
| -20 |
92.16 |
91.77 |
91.37 |
90.98 |
90.59 |
90.19 |
89.8 |
89.4 |
89.01 |
88.62 |
| -10 |
96.09 |
95.69 |
95.3 |
94.91 |
94.52 |
94.12 |
93.73 |
93.34 |
92.95 |
92.55 |
| 0 |
100 |
99.61 |
99.22 |
98.83 |
98.44 |
98.04 |
97.65 |
97.26 |
96.87 |
96.48 |
| °C |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
| 0 |
100 |
100.39 |
100.78 |
101.17 |
101.56 |
101.95 |
102.34 |
102.73 |
103.12 |
103.51 |
| 10 |
103.9 |
104.29 |
104.68 |
105.07 |
105.46 |
105.85 |
106.24 |
106.63 |
107.02 |
107.4 |
| 20 |
107.79 |
108.18 |
108.57 |
108.96 |
109.34 |
109.73 |
110.12 |
110.51 |
110.9 |
111.28 |
| 30 |
111.67 |
112.06 |
112.45 |
112.83 |
113.22 |
113.61 |
113.99 |
114.38 |
114.77 |
115.15 |
| 40 |
115.54 |
115.92 |
116.31 |
116.7 |
117.08 |
117.47 |
117.85 |
118.24 |
118.62 |
119.01 |
| °C |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
| 50 |
119.4 |
119.78 |
120.16 |
120.55 |
120.93 |
121.32 |
121.7 |
122.09 |
122.47 |
122.86 |
| 60 |
123.24 |
123.62 |
124.01 |
124.39 |
124.77 |
125.16 |
125.54 |
125.92 |
126.31 |
126.69 |
| 70 |
127.07 |
127.45 |
127.84 |
128.22 |
128.6 |
128.98 |
129.36 |
129.75 |
130.13 |
130.51 |
| 80 |
130.89 |
131.27 |
131.66 |
132.04 |
132.42 |
132.8 |
133.18 |
133.56 |
133.94 |
134.32 |
| 90 |
134.7 |
135.08 |
135.46 |
135.84 |
136.22 |
136.6 |
136.98 |
137.36 |
137.74 |
138.12 |
| °C |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
| 100 |
138.5 |
138.88 |
139.26 |
139.64 |
140.02 |
140.4 |
140.77 |
141.15 |
141.53 |
141.91 |
| 110 |
142.29 |
142.66 |
143.04 |
143.42 |
143.8 |
144.18 |
144.55 |
144.93 |
145.31 |
145.68 |
| 120 |
146.06 |
146.44 |
146.82 |
147.19 |
147.57 |
147.94 |
148.32 |
148.7 |
149.07 |
149.44 |
| 130 |
149.82 |
150.2 |
150.70 |
150.95 |
151.33 |
151.7 |
152.08 |
152.45 |
152.83 |
153.2 |
| 140 |
153.70 |
153.95 |
154.32 |
154.7 |
155.07 |
155.45 |
155.82 |
156.2 |
156.57 |
156.94 |
| °C |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
| 150 |
157.32 |
157.69 |
170.06 |
170.44 |
170.81 |
159.18 |
159.56 |
159.93 |
160.3 |
160.67 |
| 160 |
161.04 |
161.42 |
161.79 |
162.16 |
162.53 |
162.9 |
163.28 |
163.65 |
164.02 |
164.39 |
| 170 |
164.76 |
165.13 |
165.5 |
165.88 |
166.24 |
166.62 |
166.99 |
167.32 |
167.73 |
168.1 |
| 180 |
168.47 |
168.84 |
169.21 |
169.70 |
169.95 |
170.32 |
170.68 |
171.05 |
171.42 |
171.79 |
| 190 |
172.16 |
172.53 |
172.9 |
173.27 |
173.64 |
174 |
174.37 |
174.74 |
175.11 |
175.48 |
| °C |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
| 200 |
175.84 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
**RTD PT100表显示了电阻与温度之间的对应关系。
图1. 2线连接时，由于引线电阻与RTD串联，增大了电阻，会最终影响测量精度。
图2. 为RTD额外增加了第3条线，能够对线电阻进行补偿。引线电阻具有相同特性。
图3. 3线方案可以实现Kelvin检测，消除了两条连线的压差。
具体应用中，PT100 RTD的连接方式可以采用2线、3
线或4线制(
图1、2和
3)。有多种模拟和数字的方法进行PT100 RTD的
非线性误差补偿，例如，可以利用查表法或上述公式实现数字非线性补偿。
查表法是将代表铂电阻阻值与温度对应关系的一个表格存储在µP内存区域，利用这个表格将一个测量的PT100电阻值转换为对应的线性温度值。另一种方法是根据实际测量的电阻值，采用以上公式直接计算相关的温度。
查表法只能包含有限的电阻/温度对应值，电路的复杂程度取决于精度和可用内存的空间。为了计算某一特定的温度值，需要首先确认最接近的两个电阻值(一个低于RTD测量值，一个高于RTD测量值)，然后用插值法确定测量温度值。
例如：如果测试的电阻值等于109.73Ω，假设查询表格精度为10°C，那么两个最接近的值是107.79Ω (20°C)和111.67Ω (30°C)。综合考虑这三个数据，利用下式进行计算：
以上数字补偿的方法需要微处理器(µP)的支持，但是采用
图4的简单模拟电路可以获得高精度的非线性补偿。该电路在-100°C时输出电压为0.97V，200°C时为2.97V。实现更宽范围的测量时，例如：-100mV @ -100°C到200mV @ 200°C，需要增加合适的
增益调节(量程)电路和偏移(失调)控制。
图4. 该模拟电路对RTD进行线性化补偿。
这种方法利用电阻R2的少量正反馈作用实现PT100的非线性补偿，该反馈环路对应于较高的PT100阻值时输出电压略有提高，有助于传输函数的线性化处理：
图5表示PT100实际输出和最接近的直线：y = ax + b，
图6画出了经过模拟非线性补偿的PT100输出和其最接近的直线。每个图都给出了温度和电阻之间的关系式，与图4电路的输出计算值相比较。
图7、
图8所示为PT100在补偿前和补偿后的误差。
图5. PT100的原始输出与其近似直线
图6. 经过模拟补偿的PT100输出与其近似直线。
图7. 归一化误差，表示温度变化时PT100原始输出于其近似直线之间的偏差。
图8. 归一化误差，表示经过图4电路线性化补偿后，温度变化时PT100输出于其近似直线之间的偏差。对图7、图8进行归一化处理有助于观察图4电路的性能。
在实际应用中我们常常需要校准模拟温度计，但一定要尽量减少调节和控制环节，通常只需在两个PT100点校准零点失调和满量程误差。这种方法需要保证PT100的电阻和温度呈线性关系，但实际情况并非如此。
如果只在PT100阻值和温度之间对传输函数进行线性补偿，上述模拟补偿方式可有效降低80%的误差。需要注意的是，PT100较低的功耗(0.2mW至0.6mW)能够减小传感器自身的发热。因此，采用模拟方法实现PT100的非线性补偿很容易实现与±200mV面板表的连接，不需要任何额外的软件开销。
图9. 数字方案：ADC在µP控制下将RTD输出转换成数字量，然后，通过查找表由µP计算相应的温度。
数字非线性补偿电路(
图9)由RTD、误差
放大器、电流源以及µP控制的ADC组成。通过向热敏电阻注入1mA至2mA的电流，然后测量它在热敏电阻上产生的电压进行温度测量。采用大的注入电流会导致功率耗散增大，使传感器自身发热、导致测量误差增大。图中模数转换器内部的 4.096V电压基准简化了电流激励源的设计。
为了减小导线电阻对测量精度的影响，采用四条独立的导线连接RTD和
差分放大器。因为采用了高输入
阻抗运算放大器，所以导线电阻引入的电压跌落几乎为零。按照4096mV的基准电压和3.3kΩ的反馈电阻，激励电流近似等于4096mV/3.3kΩ = 1.24mA。 因为采用同一个基准电压源驱动ADC和电流源，所以基准源的温漂误差不会影响测量结果。
如果配置MAX197的输入范围为0V至5V，并且设置差分放大器增益等于10，可以测量的最大阻值为400Ω，对应的最高检测温度为+800°C。µP也可以同时使用查表法对传感器测量信号进行线性化处理，采用两个精密电阻替换图中的RTD (0°C时采用100Ω，满量程或更高时采用300Ω)，可以对该电路进行校准。
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Jul 06, 2007
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