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PT100温度采集

news 2025/6/6 9:39:51

1、信号采集的基本原理

PT100是将温度信号转换为电阻输出，其电阻值变化范围为0~200Ω。AD转换器只能对电压进行转换，无法采集直接采集温度，因此，需要一个1mA恒电流源给PT100供电，将电阻变化转换为电压变化。使用恒流源的好处，可以延长传感器寿命。由于输入信号范围为0~200mV，因此需要将信号放大，然后进行AD转换，得到电信号数据。

不采用恒压源设计的原因：

若采用恒压源供电，然后再将电阻和PT100串联,通过分压来实现，有点问题，就是当PT100阻值太小时，流过PT100的电流太大，导致传感器寿命变短。

2、运放采用MCP604

MCP604特点：

1)电压范围为2.7~6.0V

2)输出为Rail-to-Rail

3)工作温度范围：-40°C to +85°C

4)输入失调电压（Input Offset Voltage）为±3mV，典型值为1mV，高灵敏度。

5)输入偏置电流（Input Bias Current）为1pA，当TA = +85°C时，I=20pA，提高采集精度。

6)线性输出电压摆动（Linear Output Voltage Swing）：VSS+0.1 ~ VDD–0.1，单位为V。

当电源电压为3.3V时，线性输出电压摆动为0.1~3.2V。为了保证放大信号工作在线性区，因此，当VDD=3.3V时，我们设置MCP604输出电压保持在：0.5V ~ 2.5V，满足运放电路设计需求。

模电书中的运放是理想的运算放大器，同实际放大器是有区别的，因此，设计时需要考虑“输入失调电压”，“输入偏置电流”和“线性输出电压摆动”。

3、电路图

图中的R11是偏置电路，防止最后一级差动放大输出产生饱和失真。

1)选择合适的放大倍数，减小输出误差。因为输入失调电压的存在，当放大倍数增大，输出误差也会增大，这是设计必须考虑的。

2)本电路放大倍数为10，假定典型输入失调电压为3mV，若输入信号变化为5mV，则有2mV没有被放大，就会产生20mV的输出误差。

Vo4 = (Vin1 - Vref)*10

Io=1mA，Vref=Vo3=1.65V

1.7V<=Vin<=1.9V，1.7V<=V02<=1.9

1.8V<=Vo1<=2V,保证运放工作在线性区，这个很重要

0.5V<=Vo4<=2.5V,保证运放工作在线性区，这就是为什么需要串联50Ω的原因。

当输入电阻变化1Ω时，Vout就变化为10mV。由于MCP604输入补偿电压为±3mV，因此，当有0.3333Ω变化时，就会3.333mV变化，采集灵敏度较高。

0<=Rin<=200Ω输入时，由于回路串联50Ω，50Ω<=Rx<=250Ω

Vin1 - Vref = Rx*0.001，单位A

4、软件校准

初出道的工程师总是想方设法提高电阻的精度，然而误差还是很大。还有的工程师干脆用连续可调电阻，通过调节其电阻值，配合万用表，让输出满足传递关系式，这种精度好像是得到了提高，但不方便生产，另外PCB设计难度也增加了。即使调试好了，要是用手误摸调节螺丝，可能会带来误差。唯一的方法，就是用固定电阻生产，采用软件帮忙，实现精准的校准。

1)当Rin=0时，读到一个电压值，记录为V50。保存V50，它不会随PT100阻值的变化而改变，因为采用的是恒流源供电。

2)接入标称电阻，令Rs=100Ω，读到一个电压值，记录为V150。保存V150，它温度为0时，读到的电压值。

3)计算电流放大倍数：Io = (V150 - V50) / Rs；保存Io，就表示校准好了。

4)当输入电阻为R时，读到电压为Vo，则R = (Vo- V50) / Io

通过以上说明，软件校准具有很大的优越性，不仅生产方便，而且精度还高。为了提高精度，也可以将输出电压分成几个区间，分别校准，得到不同的Io,这样，输出线性度会更好。这些想法，都在我的设计中得到体现。

5、计算温度

当温度小于0时，

R0*C*t^4 - 100R0*C*t^3 + R0*B*t^2 + R0*A*t + R0 - Rt=0

当温度大于或等于0时，Rt=R0*(1+A*t+B*t*t)

说明：

Rt为t℃时铂电阻的电阻值

R0为0℃时铂电阻的电阻值100Ω

A=3.9082×10^-3

B=-5.80195×10^-7

C=-4.2735×10^-12

6、Pt100温度传感器

Pt100温度传感器为正温度系数热敏电阻传感器，主要技术参数如下：

1)、测量温度范围：-200℃ ~ +850℃；

2)、允许偏差值Δ℃：A级±(0.15+0.002|t|)，B级±(0.30+0.005|t|)；

3)、最小置入深度：热电阻的最小置入深度≥200mm；

4)、允许通过电流： < 5mA；

5)、Pt100温度传感器还具有抗振动、稳定性好、准确度高、高压等优点。铂热电阻的线性较好，在 0~100摄氏度之间变化时，最大非线性偏差小于 0.5℃；

当温度 < 0时，R0*C*t^4 - 100R0*C*t^3 + R0*B*t^2 + R0*A*t + R0 - Rt=0

当温度 ≥ 0时，Rt= R0*(1+A*t+B*t*t)

根据上面的关系计算，大概电阻范围为：18Ω~390.3Ω，-197℃为18Ω,850Ω为390.3Ω；

说明：

Rt为t℃时铂电阻的电阻值，R0为0℃时铂电阻的电阻值100Ω

A=3.9082×10^-3，B=-5.80195×10^-7，C=-4.2735×10^-12

PT100铂金属温度传感器使用说明书

℃	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	108.75	108.96	109.35	109.73	110.12	110.51	110.9	111.28
30	111.67	112.06	112.45	112.83	113.22	113.61	114.38	114.77	114.99	115.17
40	115.14	115.93	116.31	116.7	117.08	117.47	117.85	118.24	118.62	119.01
50	119.4	119.78	120.16	120.55	120.93	121.32	121.7	122.09	122.47	112.86
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	129.37	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
100	138.5	138.88	139.26	139.64	140.02	140.39	140.77	141.15	141.53	141.91