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CN109520635B - 一种铂电阻非线性补偿及信号处理电路 - Google Patents

一种铂电阻非线性补偿及信号处理电路 Download PDF

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CN109520635B CN201811327873.8A CN201811327873A CN109520635B CN 109520635 B CN109520635 B CN 109520635B CN 201811327873 A CN201811327873 A CN 201811327873A CN 109520635 B CN109520635 B CN 109520635B
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Abstract

本发明涉及一种铂电阻非线性补偿及信号处理电路，适用于目前市面上所有类型的铂电阻(PT100、PT200、PT1000等)属于信号调理电路设计技术领域。电路包括三端稳压器U1和电阻R6组成的恒流源、稳压二极管V1、运算放大器U2、限流电阻R1、调节电阻R2～R4、补偿电阻R5；本发明是一种铂电阻非线性补偿及信号处理电路，同时对铂电阻输出的电阻信号转换为电压信号。使用正反馈的方法对铂电阻输出的非线性进行补偿，通过不断增加铂电阻上的供电电流的方法，使铂电阻上的电压与感受的温度成线性关系，完成铂电阻的非线性补偿。同时电路还对铂电阻上信号进行放大和零点补偿，以使补偿电路输出电压为0V～15V范围内可调电压信号。

Description

一种铂电阻非线性补偿及信号处理电路
技术领域
本发明涉及一种铂电阻非线性补偿及信号处理电路，适用于目前市面上所有类型的铂电阻(PT100、PT200、PT1000等)属于信号调理电路设计技术领域。
背景技术
铂电阻做为感温元件具有测量范围宽、测温精度高、可靠性好等优点，使其成为我厂温度传感器主流的感温元件。目前以直接输出铂电阻的电阻信号的温度传感器较多。随着主机对温度传感器输出信号要求的多样化，带变送输出的温度传感器需求量越来越多。但是，铂电阻本身输出电阻信号为非线性信号，采用电阻输出时，由采集信号的上位机进行非线性补偿，传感器本身输出非线性可以忽略。当温度传感器采用变送输出时，非线性将会成为影响输出精度的一个很重要因素。例如在-60℃～200℃温度范围内，非线性最大偏差约为2.5℃，而产品要求测量精度通常在±1℃～±1.5℃范围内，因此，铂电阻非线性将会对产品输出精度造成严重影响。因此，改善铂电阻的非线性，提高产品输出精度变得很重要。
改善铂电阻的非线性，需在信号转换电路中对铂电阻的非线性进行补偿，本文主要介绍一种非线性补偿电路方案，并通过试验分析，验证铂电阻非线性补偿电路的补偿效果。
发明内容
本发明的目的：为了解决铂电阻输出阻值与感受温度的非线性问题，改善铂电阻的线性度，提高铂电阻变送电路的输出精度，本发明提供了一种新的铂电阻非线性补偿电路。
本发明的技术方案：一种铂电阻非线性补偿及信号处理电路，其特征在于，电路包括三端稳压器U1和电阻R6组成的恒流源、稳压二极管V1、运算放大器U2、限流电阻R1、调节电阻R2～R4、补偿电阻R5；IN为直流电源正，GND为直流电源地；三端稳压器U1输入端与电源正相连，输出端和调整端连接调节电阻R6,组成恒流源为铂电阻RTD供电；限流电阻R1一端与供电电源连接，另一端与稳压二极管V1负端连接，限制流过稳压二极管V1上的电流，保证稳压二极管V1正常工作；稳压二极管V1正端与电源地相连，为后级电路提供恒定的参考电压；调节电阻R2、R3串联，然后连接在稳压二极管V1的两端，组成分压电路，作为运算放大器反向输入端电压；铂电阻RTD一端与三端稳压器的调节端连接，另外一端与电源地相连，铂电阻通过电流激励产生电压，作为运算放大器反同向输入端电压；运算放大器采用直流电源供电，同向输入端连接铂电阻与三端稳压器的调整端的公共端，反向输入端连接调节电阻R2、R3的公共端，同时连接电阻R4的一端，运算放大器U2输出端连接调节电阻R4的另一端，组成信号放大和零点调整电路，对铂电阻上的电压信号进行放大和零点调整；补偿电阻R5一端连接运算放大器U2同向输入端，另一端连接运算放大器U2的输出端，组成正反馈电路，为铂电阻提供补偿电流，与恒流源同时为铂电阻供电，在铂电阻上产生电压信号。
所述铂电阻非线性补偿及信号处理电路所使用的供电电源电压为15V～28V。
所述恒流源输出的电流通过下述公式确定，
Figure GDA0002408174590000021
式中：
I主为恒流源电流；
Vref为三端稳压器基准电压。
所述补偿电阻R5的阻值是通过下述公式计算所得，
Figure GDA0002408174590000022
式中：
VOM为中间温度点时电路需要输出的电压；
VOL为最低温度点时电路需要输出的电压；
VOH为最高温度点时电路需要输出的电压；
RRM为中间温度点时铂电阻的阻值；
RRL为最低温度点时铂电阻的阻值；
RRH为最高温度点时铂电阻的阻值；
I主为恒流源电流。
所述铂电阻上产生的电压信号在铂电阻最高温度点和最低温度点时的值通过下式确定：
Figure GDA0002408174590000031
Figure GDA0002408174590000032
式中：
VOL为最低温度点时电路需要输出的电压；
VOH为最高温度点时电路需要输出的电压；
VRL为最低温度点时铂电阻上的电压；
VRH为最高温度点时铂电阻上的电压；
RRL为最低温度点时铂电阻的阻值；
RRH为最高温度点时铂电阻的阻值；
I主为恒流源电流。
所述调节电阻R3的阻值通常为1kΩ。
所述的调节电阻R2、R4是通过下述公式计算得到
Figure GDA0002408174590000033
Figure GDA0002408174590000034
式中：
VOL为最低温度点时电路需要输出的电压；
VOH为最高温度点时电路需要输出的电压；
VRL为最低温度点时铂电阻上的电压；
VRH为最高温度点时铂电阻上的电压。
VREF为稳压二极管V1基准电压。
所述限流电阻R1取值范围为10kΩ～100kΩ。
本发明的有益效果：本发明可以有效改善铂电阻输出的非线性，将铂电阻输出电阻的非线性降低为原来的1/150，提高铂电阻的测温精度。同时将铂电阻输出电阻信号转换为0V～15V可调的电压信号。
附图说明
图1为铂电阻非线性补偿原理图。
图2为铂电阻非线性补偿电路图。
具体实施方式
以下将结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步地详述：
本发明中由三端稳压器和电阻组成恒流源电路为铂电阻提供主供电电流，由正反馈电阻R5提供随输出逐渐变化的补偿电流，铂电阻在两个电流的激励下输出随温度线性变化的电压信号；然后通过运算放大器对铂电阻输出的信号进行信号放大和零点调整，使得最终输出0V～15V可调的电压信号。
如图2所示，铂电阻非线性补偿电路由三端稳压器U1和电阻R6组成的恒流源、稳压二极管V1、运算放大器U2、限流电阻R1、调节电阻R2～R4、补偿电阻R5组成。IN为直流电源(15V～28V)正，GND为直流电源地。
三端稳压器U1输入端与电源输入端连接，调整端与输出端连接电阻R1组成恒流源，为铂电阻提供主激励电流，铂电阻一端连接三端稳压器输入端，另外一端连接电源地。恒流源输出电流为：
Figure GDA0002408174590000041
式中：I主为恒流源电流；
Vref为三端稳压器基准电压。
补偿电阻R5一端与铂电阻一端(非接地端)和运算放大器的同向输入端连接，另一端与运算放大器输出端连接，组成正反馈电路，为铂电阻提供补偿电流，即铂电阻上供电电流为三端稳压器提供的激励电流和电阻R5提供的补偿电流之和。由于补偿电阻R5用于提供因此，铂电阻上电压如式2所示。
Figure GDA0002408174590000042
式中:VO为电路输出电压；
RRTD为铂电阻在各温度点下的阻值；
VRTD为各温度点下铂电阻上电压。
为保证铂电阻的补偿效果，需保证铂电阻在需校准的边界温度点和中间温度点均满足零误差，即满足式3。
2*VRM＝(VRL+VRH) (3)
式中：VRM为中间温度点时铂电阻上电压；
VRL为最低温度点时铂电阻上电压；
VRH为最高温度点时铂电阻上电压。
通过式2和式3即可确定补偿电阻R5的阻值，如式4所示：
Figure GDA0002408174590000051
式中：
VOM为中间温度点时电路需要输出的电压；
VOL为最低温度点时电路需要输出的电压；
VOH为最高温度点时电路需要输出的电压；
RRM为中间温度点时铂电阻的阻值；
RRL为最低温度点时铂电阻的阻值；
RRH为最高温度点时铂电阻的阻值；
补偿电阻R5用于提供很小的补偿电路，阻值通常在MΩ级，远远大于铂电阻的阻值，所以可以对式4进行适当简化，即认为R5+RRM与R5+RRL与R5+RRH近似相等，可得补偿电阻R5计算公式为：
Figure GDA0002408174590000052
通过式5即可确定正反馈补偿电阻R5的电阻值。
电阻R1一端与供电电源相连，另外一端与稳压二极管V1负端相连，用于限制流经稳压二极管V1上的电流，稳压二极管另一端接电源地，为后续电路提供一个参考电压VREF。电阻R2、R3串联，串联后两个电阻的两个非公共端分别与稳压二极管的两端连接，公共端与运算放大器反向输入端和电阻R4的一端连接，电阻R4的另外一端与运算放大器的输出连接。形成信号放大和零点调整电路，电路输出电压如式6所示。
Figure GDA0002408174590000061
式中：
VO为电路输出电压；
I主为恒流源电流；
VRTD为各温度点下铂电阻的电压；
VREF为稳压二极管V1基准电压。
根据式5可知，通过改变电阻R2～R4即可改变补偿电路输出电压范围，分别将中间温度点和边界温度点时的铂电阻上电压和电路输出电压带入式5中即可确定调节电阻R2～R4的值。其中电阻R3通常取值为1kΩ，所以电阻R2、R4计算公式如下所示：
Figure GDA0002408174590000062
Figure GDA0002408174590000063
式中：
VOL为最低温度点时电路需要输出的电压；
VOH为最高温度点时电路需要输出的电压；
VRL为最低温度点时铂电阻上的电压；
VRH为最高温度点时铂电阻上的电压；
VREF为稳压二极管V1基准电压
按照上述分析及电阻计算即可完成铂电阻非线性补偿电路的设计。

Claims (5)

1.一种铂电阻非线性补偿及信号处理电路，其特征在于，电路包括三端稳压器U1和电阻R6组成的恒流源、稳压二极管V1、运算放大器U2、限流电阻R1、调节电阻R2～R4、补偿电阻R5；IN为直流电源正，GND为直流电源地；三端稳压器U1输入端与电源正相连，输出端和调整端连接调节电阻R6,组成恒流源为铂电阻RTD供电；限流电阻R1一端与供电电源连接，另一端与稳压二极管V1负端连接，限制流过稳压二极管V1上的电流，保证稳压二极管V1正常工作；稳压二极管V1正端与电源地相连，为后级电路提供恒定的参考电压；调节电阻R2、R3串联，然后连接在稳压二极管V1的两端，组成分压电路，作为运算放大器反向输入端电压；铂电阻RTD一端与三端稳压器的调节端连接，另外一端与电源地相连，铂电阻通过电流激励产生电压，作为运算放大器同向输入端电压；运算放大器采用直流电源供电，同向输入端连接铂电阻与三端稳压器的调整端的公共端，反向输入端连接调节电阻R2、R3的公共端，同时连接电阻R4的一端，运算放大器U2输出端连接调节电阻R4的另一端，组成信号放大和零点调整电路，对铂电阻上的电压信号进行放大和零点调整；补偿电阻R5一端连接运算放大器U2同向输入端，另一端连接运算放大器U2的输出端，组成正反馈电路，补偿铂电阻输出的非线性；所述铂电阻非线性补偿及信号处理电路所使用的供电电源电压为15V～28V；所述调节电阻R3的阻值通常为1kΩ；所述限流电阻R1取值范围为10kΩ～100kΩ。
2.如权利要求1所述的一种铂电阻非线性补偿及信号处理电路，其特征在于，所述恒流源电流通过下述公式确定，
Figure FDA0002408174580000011
式中
I主为恒流源电流；
Vref为三端稳压器基准电压。
3.如权利要求2所述的一种铂电阻非线性补偿及信号处理电路，其特征在于，所述补偿电阻R5的阻值是通过下述公式确定，
Figure FDA0002408174580000021
式中：
VOM为中间温度点时电路需要输出的电压；
VOL为最低温度点时电路需要输出的电压；
VOH为最高温度点时电路需要输出的电压；
RRM为中间温度点时铂电阻的阻值；
RRL为最低温度点时铂电阻的阻值；
RRH为最高温度点时铂电阻的阻值；
I主为恒流源电流。
4.如权利要求3所述的一种铂电阻非线性补偿及信号处理电路，其特征在于，所述铂电阻上产生的电压信号在铂电阻最高温度点和最低温度点时的值通过下式确定：
Figure FDA0002408174580000022
Figure FDA0002408174580000023
式中：
VOL为最低温度点时电路需要输出的电压；
VOH为最高温度点时电路需要输出的电压；
VRL为最低温度点时铂电阻上的电压；
VRH为最高温度点时铂电阻上的电压；
RRL为最低温度点时铂电阻的阻值；
RRH为最高温度点时铂电阻的阻值；
I主为恒流源电流。
5.如权利要求1所述的一种铂电阻非线性补偿及信号处理电路，其特征在于，所述的调节电阻R2～R4是通过下述公式计算得到
Figure FDA0002408174580000024
Figure FDA0002408174580000031
式中：
VOL为最低温度点时电路需要输出的电压；
VOH为最高温度点时电路需要输出的电压；
VRL为最低温度点时铂电阻上的电压；
VRH为最高温度点时铂电阻上的电压；
VREF为稳压二极管V1基准电压。
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