PT100/PT1000温度采集电路方案

PT100/PT1000温度采集电路方案

1.PT100和PT1000温度阻值变化表

金 属 热 电 阻 如 镍 、铜 和 铂 电 阻 ，其 阻 值 随 温度的变化是正相关的， 以铂的物化性质最稳定，应用最广泛。 常用铂电阻 Pt100 的测温范围为-200～850 ℃，此外 Pt500、Pt1000 等的测温范围依次缩小。Pt1000，测温范围-200～420 ℃。 根据 IEC751 国际标准，铂电阻 Pt1000 的温度特性满足：

根据 Pt1000 温度特性曲线，在正常工作温度范围内的阻值特性曲线斜率变化较小（如图 1 所示），通过线性拟合可得阻值与温度的近似关系为：

1.1 PT100温度阻值变化表

1.2 PT1000温度阻值变化表

2.常用的采集电路方案

2.1电阻分压输出0~3.3V/3V模拟电压

单片机AD口直接采集
测温电路电压输出范围是0~3.3V，PT1000（PT1000阻值变化幅度大，测温的灵敏度较PT100高一些；PT100更适合大范围测温）。

做简单的是使用分压方式，电压是由TL431电压基准源芯片产生的电压基准源4V，或者可以采用REF3140产生4.096V作为基准源。基准源芯片还有REF3120、3125、3130、3133、3140。该芯片采用SOT-32封装，5V输入电压。输出电压可根据所需基准电压进行选择。当然根据单片机AD口的正常电压输入范围，不能超过3V/3.3V。

2.2电阻分压输出0~5V模拟电压

单片机AD口直接采集。
当然有些电路使用5V单片机供电，PT1000的最大工作电流为0.5mA，所以要采用适当的电阻值保证元件正常工作。
就比如上述电压分压原理图中的3.3V换成5V，这样做的好处就是5V的分压比3.3V的灵敏度高，采集更加准确。切记，理论计算输出电压不能超出+5V。否则会导致单片机损坏。

2.3最常用的桥式测量

采用R11、R12、R13和Pt1000构成测量电桥，其中R11=R13=10k，R12=1000R的精密电阻，当Pt1000的电阻值与R12的阻值不相等时，电桥会输出一个mV级别的压差信号，这个压差信号经过仪表放大电路放大后输出期望的电压信号，该信号可以直接接AD转换芯片或者单片机的AD口。

这个电路的测电阻原理：
1）、PT1000是热敏电阻，随着温度的变化，电阻发生基本线性的变化。
2）、0度时，PT1000的电阻为1kΩ，则Ub和Ua相等，也就是说Uba = Ub - Ua = 0。
3）、假设某个温度下，PT1000的电阻为1.5kΩ，则Ub和Ua不相等。根据电压分压原理，我们可以求出Uba = Ub - Ua > 0。
4）、OP07是一个运算放大器，它的电压放大倍数A取决于外部电路，在这里A = R2/R1 = 17.5。
5）、OP07的输出电压Uo = Uba * A。所以如果用一个电压表测量出OP07的输出电压，则我们就能反推出Uab的值。由于Ua是已知值，所以我们可以进一步计算出Ub的值。接着利用电压分压原理，我们就可以计算出PT1000的具体电阻值。这个过程可以通过软件计算实现。
6）、如果我们能知道PT1000在任意温度下的电阻值，则我们只需要根据电阻值查表就可以知道当前的温度。

2.4恒流源

由于热电阻的自热效应，要保证流过电阻的电流尽量小，一般希望电流小于10mA，经查证铂电阻PT100自体发热1 mW约会造成0.02～0.75℃的温度变化量, 所以降低铂电阻PT100的电流亦可降低其温度变化量, 然而, 若电流太小, 则易受噪声干扰, 所以一般取值在0.5～2 mA，所以将恒流源电流选择为1mA恒流源。

选择芯片为恒压源芯片TL431，然后利用电流负反馈转化为恒流源，电路如图所示

其中运放CA3140用于提高电流源的带载能力，输出电流的计算式为：

其中电阻应取0.1%的精密电阻。最后输出电流为0.996mA，即精度为0.4%。

恒流源电路应当具有以下几个特性

温度稳定性：由于我们测温环境为0-100℃，所以电流源的输出不应当对温度敏感。而TL431具有极低的温度系数，温漂低。

负载调整率好：如果电流纹波过大，将导致出现读数误差，根据理论分析，由于输入电压在100-138.5mV之间变化，而测温范围0-100℃，测温精度±1摄氏度，所以环境温度每升高1℃，输出电压变化应为38.5/100=0.385mV，为了保证电流的波动不影响精度，考虑最极端的情况，100摄氏度时，，此时PT100的阻值应为138.5R。则电流纹波应当小于0.385/138.5=0.000278mA，即负载变化的过程中电流的变化应当小于0.000278mA，在实际的仿真中，电流源基本不变。

3.AD623采集电路方案

原理可以参考上述桥式测量原理。
低温采集：

高温采集

4.AD620采集电路方案

AD620测PT100采集方案高温（150°）：

AD620测PT100采集方案低温（-40°）：

AD620测PT100采集方案室温（20°）：

5.PT100和PT1000抗干扰滤波分析

在一些比较复杂的，环境恶劣或者特殊环境中的温度采集会受到很大的干扰现象，主要包括EMI和REI。

比如在电机温度采集应用中，电机控制以及电机高速旋转带来的高频扰动。

还有如航空以及航天飞行器内部存在着大量温度控制场景，对动力系统和环控系统
等进行测温和控制。温度控制的核心是温度测量，由于热敏电阻的阻值能随温度有线性变
化关系，采用铂电阻测量温度是一种有效的高精度温度测量方法。主要面临以下问题：
1.引线上的电阻容易被引入，从而影响传感器测量准确度；
2.飞机在某些强烈电磁干扰环境下，干扰可能被仪表运放整流之后转化为DC输出
失调误差，影响测量精度。

5.1航空航天机载PT1000采集电路

参考某航空抗电磁干扰的机载PT1000采集电路设计。

在采集电路的最外端设置有滤波器，所述的PT1000采集预处理电路适用于机载电子设备接口抗电磁干扰预处理；
具体电路为：
+15V输入电压经稳压源转化为+5V高精度电压源，该+5V高精度电压源与电阻R1直联，
电阻R1另一端分为两路，一路连至运放的同相输入端，一路通过T型滤波器S1连至PT1000电阻A端；运放的输出端与反相输入端相接形成电压跟随器，反相输入端再与稳压源的接地端口相连，以保证同相输入端电压恒为零；
PT1000电阻一端A通过S2滤波器后，再分为两路，一路过电阻R4作为差分电压输入端D，
一路过电阻R2接到AGND；PT1000电阻另一端B通过S3滤波器后，再分为两路，一路过电阻R5作为差分电压输入端E，一路过电阻R3接到AGND，D和E间通过电容C3相连，D通过电容C1接到AGND，E通过电容C2接到AGND；
通过测量D和E两端的差分电压即可算得PT1000精确电阻值。

+15V输入电压经稳压源转化为+5V高精度电压源，该+5V与R1直联，R1另一端分为
两路，一路连至运放的同相输入端，一路通过T型滤波器S1连至PT1000电阻A端。运放的输出与反相输入端相接形成电压跟随器，反相输入端再与稳压源的接地端口相连，以保证同相输入端电压恒为零，此时流经R1的电流为恒定的0.5mA。稳压源选用AD586TQ/883B，运放选用OP467A。

PT1000电阻一端A通过S2滤波器后，再分为两路，一路过电阻R4作为差分电压输入
端D，一路过电阻R2接到AGND；PT1000电阻另一端B通过S3滤波器后，再分为两路，一路过电阻R5作为差分电压输入端E，一路过电阻R3接到AGND。D和E间通过电容C3相连，D通过电容C1接到AGND，E通过电容C2接到AGND。
R4和R5阻值为4 .02k欧 ,R1和R2阻值为1M欧，C1和C2容值为1000pF ,C3容值为
0.047uF.R4，R5，C1，C2，C3共同构成RFI滤波网络，该RFI滤波完成对输入信号的低通滤波，滤除的对象包括输入差分信号中携带的差模干扰和共模干扰。对输入信号中携带的共模干扰和差模干扰的‑3dB截止频率计算分别如公式所示：

代入阻值计算得共模截止频率为40kHZ，差模截止频率为2.6KHZ。
端点B通过S4滤波器与AGND相连。其中，S1到S4的滤波器接地端均引到飞机屏蔽地
上。由于流经PT1000的电流为已知的0 .05mA，通过测量D和E两端的差分电压即可算得
PT1000精确电阻值。
S1到S4选用T型滤波器，型号GTL2012X‑103T801，截止频率在1M±20％。该电路对
外接口线均引入低通滤波器，对差分电压进行RFI滤波，作为PT1000的预处理电路，很好地消除了电磁以及RFI辐射干扰，这样大大提高了采集值的可靠性。此外，从PT1000电阻两端对电压直接进行测量，消除了引线电阻带来的误差，提高了阻值的准确性

5.2 T型滤波器

T型滤波器包括两个电感器和电容器。它的两端都是高阻抗，其插入损耗性能和 π 型滤波器相似，但是它不易出现“振铃”现象，可以用在开关电路。

物理模型：