一種雙冗余熱電阻/電壓轉(zhuǎn)換電路分析

摘要:針對(duì)一種產(chǎn)品中雙冗余Pt熱電阻溫度傳感器的轉(zhuǎn)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(cè)溫原理;再采用orCAD/PSpice對(duì)轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行了仿真分析,推導(dǎo)出轉(zhuǎn)換電路的函數(shù)關(guān)系,對(duì)轉(zhuǎn)換函數(shù)進(jìn)行了計(jì)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性關(guān)系;電路實(shí)驗(yàn)也驗(yàn)證了對(duì)轉(zhuǎn)換部件分析結(jié)果的正確性;最后實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的改進(jìn)設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用。實(shí)際工程應(yīng)用的結(jié)果表明,電路分析的結(jié)果正確,能有效指導(dǎo)測(cè)溫轉(zhuǎn)換電路的調(diào)試和檢測(cè)。
　　熱電阻是一種測(cè)溫元件，它利用導(dǎo)體的電阻隨溫度變化的特性來測(cè)量溫度，工業(yè)上被廣泛用于測(cè)量中低溫區(qū)-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(wěn)定,因此其不僅用作工業(yè).上的測(cè)溫元件，而且還作為復(fù)現(xiàn)溫標(biāo)的基準(zhǔn)器。常用的方法是先測(cè)量鉑電阻的阻值,再查分度表)換算得到對(duì)應(yīng)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(cè)量電路采用了阻容和放大電路對(duì)鉑電阻兩端電壓進(jìn)行變換，使轉(zhuǎn)換電路的輸出電壓值與采樣溫度呈線性關(guān)系。根據(jù)項(xiàng)目需求,文中主要負(fù)責(zé)對(duì)傳感器轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換電路輸出電壓之間的關(guān)系,同時(shí)能指導(dǎo)產(chǎn)品溫度轉(zhuǎn)換部件的生產(chǎn)調(diào)試和檢測(cè)。為了進(jìn)行電路分析,首先采用orCAD/PSpice對(duì)電路進(jìn)行了仿真計(jì)算叨,理清電路的工作原理,再用傳統(tǒng)的模擬電路分析方法0,對(duì)轉(zhuǎn)換電路的工作原理進(jìn)行分析。為了方便電路分析,專門搭建轉(zhuǎn)換電路的實(shí)驗(yàn)板，配合電路的分析。
1熱電阻/電壓轉(zhuǎn)換電路分析
1.1Pt鉑電阻的溫度特性與測(cè)溫原理
　　根據(jù)鉑電阻與溫度的關(guān)系，在0~850℃范圍內(nèi)為:
 
　　由式(1)和(2)可見,Ro為基準(zhǔn)值,其與材質(zhì)、純度和制造工藝水平有關(guān)，另一個(gè)對(duì)測(cè)溫有直接作用的因素是Pt電阻的溫度系數(shù),即溫度每變化1C阻值的相對(duì)變化量,它本身也隨溫度變化。根據(jù)分度號(hào)是用來反映溫度傳感器在測(cè)量溫度范圍內(nèi)溫度變化對(duì)應(yīng)熱電阻阻值變化的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)列，即熱電阻的電阻對(duì)應(yīng)的溫度值。常見的Pt熱電阻的分度號(hào)有Pt10,Pt150,Pt100,Pt1000等，本文測(cè)溫使用了Pt50號(hào)的熱電阻。0~150℃范圍內(nèi)典型的分度表如表1所示，表中數(shù)據(jù)在后面分析時(shí)使用。
 
　　為了保證測(cè)量精度,熱電阻接人轉(zhuǎn)換電路時(shí)一般采用三線制接法和四線制兩種接法，減少引出導(dǎo)線電阻對(duì)溫度測(cè)量的影響。電路采用了近似的四線制接法。四線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(jì),r4為熱電,阻4根引線的電阻，在各自回路中無影響或可忽略不計(jì)。為了防止流經(jīng)熱電阻的電流(I)過大引起自熱影響測(cè)量精度,1不宜超過6mA。
1.2熱電阻/電壓轉(zhuǎn)換電路
　　熱電阻/電壓轉(zhuǎn)換電路如圖2所示。.
 
　　采用PSpice軟件對(duì)圖2所示的電路進(jìn)行參數(shù)掃描仿真分析,分析的結(jié)果如表2所示。表2中,V,和Vn的電壓為μV級(jí),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(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)的電壓。
　　再根據(jù)圖2對(duì)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(yùn)算電路,Rt的下端(V,節(jié)點(diǎn))在外部接信號(hào)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)過運(yùn)算放大器反向電壓跟隨生成轉(zhuǎn)換電路的輸出Vm。電路的構(gòu)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(qū)動(dòng)電路
　　二選一與輸出驅(qū)動(dòng)電路由運(yùn)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(duì)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(yùn)放,主要是為了配合D1和D2實(shí)現(xiàn)二選一且選高的作用。Q1主要是用于提高轉(zhuǎn)換電路溫度特性輸出的驅(qū)動(dòng)能力。
1.4信號(hào)調(diào)理電路
　　上述信號(hào)轉(zhuǎn)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(hào)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(qū)動(dòng)能力以方便使用。該電路的轉(zhuǎn)換函數(shù)為:
 
　　至此,，電路的工作原理分析完成，下面對(duì)電路的特性進(jìn)行分析,并對(duì)分析的正確性進(jìn)行驗(yàn)證。
2電路特性分析與驗(yàn)證
2.1電路特性分析
　　根據(jù)之前的分析結(jié)果，將Pt50鉑電阻0~150℃范圍內(nèi)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(duì)應(yīng)阻值,△Rt一每10℃Rt的增量,Vrw一熱電阻/電壓轉(zhuǎn)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,Vrw的幅值較低,范圍也很小,但是從△Vrw欄來看,在0~150℃范圍內(nèi)，輸出電壓與輸人溫度之間有較好的線性關(guān)系:
 
　　再經(jīng)過信號(hào)調(diào)理以后,靈敏度大幅提高。同時(shí),也說明完全可以使用轉(zhuǎn)換電路的輸出電壓Vrt代替輸人溫度參與后續(xù)的模擬計(jì)算。
　　為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換電路的重復(fù)性，電路板設(shè)計(jì)時(shí)圖3中R1*和R2*各由1對(duì)精密電阻實(shí)現(xiàn),在調(diào)試時(shí)采用電位計(jì)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(jù),并對(duì)輸出結(jié)果進(jìn)行標(biāo)定。選取的標(biāo)定參數(shù)如表4.所示。
 
　　為了保證轉(zhuǎn)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(shù)運(yùn)算的電阻選用指定級(jí)別的精密電阻,其他選用普通電阻即可。
2.2電路測(cè)試
　　在理論分析的同時(shí)，還采用面包板搭建了該轉(zhuǎn)換電路的實(shí)驗(yàn)板,配合理論分析結(jié)果的進(jìn)行驗(yàn)證。項(xiàng)目分析完成之后,還完成了樣機(jī)的生產(chǎn)。根據(jù)項(xiàng)目需求,使用電阻箱模擬Pt50溫度傳感器進(jìn)行測(cè)試。表5為樣機(jī)試制過程中測(cè)試記錄的一組數(shù)據(jù)。首先,根據(jù)表4標(biāo)定R1*的阻值為102.32kΩ,R2*阻值為102.10kΩ。其次,斷開第二路電阻箱，測(cè)得第一路轉(zhuǎn)換電路的典型參數(shù)。
 
　　表5中滿量程取值為6V,測(cè)量精度都滿足引用誤差≤1%FS的技術(shù)要求，且實(shí)驗(yàn)測(cè)試與理論分析的結(jié)果相符。
3結(jié)束語
　　文中根據(jù)項(xiàng)目開發(fā)的需求,對(duì)一種雙冗余Pt熱電阻/電壓轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行了仿真分析和理論分析,并通過對(duì)所推導(dǎo)得出的轉(zhuǎn)換函數(shù)進(jìn)行計(jì)算分析，證明并驗(yàn)證了轉(zhuǎn)換電路輸出的電壓值與采樣溫度之間有良好的線性關(guān)系，通過對(duì)實(shí)驗(yàn)電路板和樣機(jī)的測(cè)試，驗(yàn)證了分析的正確性。實(shí)際工程應(yīng)用情況表明,分析的結(jié)果完全能夠指導(dǎo)產(chǎn)品生產(chǎn)，項(xiàng)目研究達(dá)到了預(yù)期目的。