PT100/PT1000温度采集电路方案

1. PT100和PT1000耐温变化表
镍等金属热电阻, 铜铂电阻的阻值随温度的变化呈正相关. 铂具有最稳定的物理和化学性质，用途最广泛. 常用铂电阻Pt100的测温范围为-200～850℃. 此外, Pt500的温度测量范围, 铂1000, ETC. 都在陆续减少. 铂1000, 温度测量范围-200～420℃. 依据IEC751国际标准, 铂电阻Pt1000的温度特性满足以下要求:

Pt1000温度特性曲线

根据Pt1000温度特性曲线, 在正常工作温度范围内电阻特性曲线斜率变化很小 (如图 1). 通过线性拟合, 电阻和温度之间的近似关系是:

1.1 PT100耐温变化表

PT100耐温变化表

1.2 PT1000耐温变化表

PT1000温度电阻变化表

2. 常用采集电路方案

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为0~3.3V, PT1000 (PT1000阻值变化较大, 测温灵敏度高于PT100; PT100更适合大范围温度测量).

电阻分压器输出0~3.3V 3V模拟电压

最简单的方法就是采用分压法. 电压为TL431电压基准源芯片产生的电压基准源4V, 或者可以使用REF3140产生4.096V作为参考源. 参考源芯片还包括REF3120, 3125, 3130, 3133, 和 3140. 该芯片采用SOT-32封装，5V输入电压. 输出电压可根据需要的参考电压选择. 当然, 根据MCU AD口正常电压输入范围, 不能超过3V/3.3V.

2.2 电阻分压输出0~5V模拟电压MCU AD口直接采集.
当然, 部分电路使用5V MCU供电, PT1000最大工作电流为0.5mA, 因此应选用合适的电阻值，以保证元器件的正常工作.
例如, 将上面分压原理图中的3.3V替换为5V. 这样做的好处是5V分压比3.3V更灵敏, 并且采集更加准确. 记住, 理论计算输出电压不能超过+5V. 否则, 会对MCU造成损坏.

2.3 最常用的电桥测量
R11, R12, R13和Pt1000组成测量电桥, 其中 R11=R13=10k, R12=1000R精密电阻. 当Pt1000的阻值不等于R12的阻值时, 电桥会输出mV级的电压差信号. 该电压差信号经仪表放大器电路放大，输出所需的电压信号. 该信号可直接连接AD转换芯片或单片机的AD口.

R11, R12, R13和Pt1000组成测量电桥

该电路电阻测量原理:
1) PT1000是热敏电阻. 随着温度的变化, 电阻基本呈线性变化.
2) 在 0 度, PT1000的电阻为1kΩ, 那么 Ub 和 Ua 相等, 那是, 乌巴=乌布 – 做= 0.
3) 假设在一定温度下, PT1000的电阻为1.5kΩ, 那么 Ub 和 Ua 不相等. 根据分压原理, 我们可以发现Uba = Ub – 做 > 0.
4) OP07是运算放大器, 其电压增益A取决于外部电路, 其中 A = R2/R1 = 17.5.
5) OP07的输出电压Uo=Uba * A. 那么如果我们用电压表测量OP07的输出电压, 我们可以推断出Uab的值. 由于 Ua 是已知值, 我们可以进一步计算Ub的值. 然后, 利用分压原理, 我们可以计算出PT1000的比电阻值. 这个过程可以通过软件计算来实现.
6) 如果我们知道PT1000在任何温度下的电阻值, 我们只需根据电阻值查表就可以知道当前的温度.

2.4 恒流源
由于热敏电阻的自热效应, 流过电阻的电流应尽可能小. 一般来说, 电流预计小于10mA. 经验证，铂电阻PT100自热 1 mW会引起0.02-0.75℃的温度变化. 所以, 减小铂电阻PT100的电流也可以减小其温度变化. 然而, 如果电流太小, 容易受到噪声干扰, 所以该值一般为 0.5-2 嘛, 所以恒流源电流选择1mA恒流源.

芯片选用恒压源芯片TL431, 然后利用电流负反馈转换成恒流源. 电路如图所示

他们之中, 采用运算放大器CA3140，提高电流源的负载能力, 输出电流的计算公式为:

该电阻器应该是一个 0.1% 精密电阻. 最终输出电流为0.996mA, 那是, 准确度是 0.4%.

恒流源电路应具有以下特点

选择恒压源芯片TL431

温度稳定性: 由于我们的测温环境是0-100℃, 电流源的输出不应对温度敏感. TL431具有极低的温度系数和低温漂.

良好的负载调节能力: 如果电流纹波太大, 会导致读取错误. 根据理论分析, 由于输入电压在 100-138.5mV 之间变化, 温度测量范围0-100℃, 测温精度±1摄氏度, 因此环境温度每升高1℃，输出电压应变化38.5/100=0.385mV. 为了保证电流波动不影响精度, 考虑最极端的情况, 在 100 摄氏度, PT100的电阻值应为138.5R. 那么电流纹波应小于0.385/138.5=0.000278mA, 那是, 负载变化时电流变化应小于0.000278mA. 在实际模拟中, 目前来源基本不变.
3. AD623采集电路方案

AD623采集PT1000电路方案

原理可以参考上面电桥测量原理.
低温采集:

高温采集

4. AD620采集电路方案

AD620 PT100采集方案

AD620 PT100采集解决方案高温 (150°):

AD620 PT100采集方案低温 (-40°):

AD620 PT100采集方案室温 (20°):

5. PT100和PT1000抗干扰滤波分析

一些复杂的温度采集, 恶劣或特殊的环境会受到很大的干扰, 主要包括EMI和REI.

例如, 在电机温度采集中的应用, 电机控制和电机高速旋转引起高频干扰.

航空航天飞行器内部也存在大量的温控场景, 对电力系统和环境控制系统进行测量和控制. 温度控制的核心是温度测量. 由于热敏电阻的阻值可以随温度线性变化, 利用铂电阻测量温度是一种有效的高精度测温方法. 主要问题如下:
1. 引线上的电阻很容易引入, 从而影响传感器的测量精度;
2. 在一些强电磁干扰环境下, 干扰可经仪表放大器整流后转换为直流输出
偏移误差, 影响测量精度.
5.1 航天机载PT1000采集电路

航天机载PT1000采集电路

参考某航空某机载PT1000采集电路抗电磁干扰的设计.

采集电路最外端设置滤波器. 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输入电压通过稳压器转换为+5V高精度电压源, +5V高精度电压源直接连接电阻R1.
电阻R1的另一端分为两路, 一个连接到运算放大器的同相输入, 另一端通过T型滤波器S1接PT1000电阻A端. 运放的输出端连接到反相输入端，形成电压跟随器, 反相输入端连接稳压器的接地端，保证同相输入端电压始终为零. 经过S2过滤器后, PT1000电阻一端A分为两路, 其中一路通过电阻R4作为差分电压输入端D, 另一条路径通过电阻 R2 连接到 AGND. 经过S3过滤器后, PT1000电阻的另一端B分为两路, 其中一路通过电阻R5作为差分电压输入端E, 另一条路径通过电阻R3连接到AGND. D和E通过电容C3连接, D通过电容C1连接到AGND, E通过电容C2连接到AGND; 通过测量D、E之间的差分电压即可计算出PT1000的精确电阻值.

+15V输入电压通过稳压器转换为+5V高精度电压源. +5V直接连接到R1. R1的另一端分为两条路径, 一个连接到运放的同相输入端, 另一路通过T型滤波器S1接PT1000电阻A. 运放的输出端连接到反相输入端，形成电压跟随器, 反相输入端与稳压器的地端相连，保证反相输入端电压始终为零. 此时, 流过R1的电流恒定为0.5mA. 稳压器采用AD586TQ/883B, 运放采用OP467A.

经过S2过滤器后, PT1000电阻一端A分为两路, 一、通过电阻R4作为差分电压输入端D, 并通过电阻 R2 至 AGND; 经过S3过滤器后, PT1000电阻的另一端B分为两路, 1.通过电阻R5作为差分电压输入端E, 并通过电阻 R3 至 AGND. D和E通过电容C3连接, D通过电容C1连接到AGND, E通过电容C2连接到AGND.
R4和R5的电阻为4.02k欧姆, R1和R2的电阻为1M欧姆, C1和C2的电容为1000pF, C3的电容为0.047uF. R4, R5, C1, C2, 和C3一起组成RFI过滤网络, 从而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. 输入信号中携带的共模干扰和差模干扰的‑3dB截止频率的计算公式如下：:

将电阻值代入计算, 共模截止频率为40kHz, 差模截止频率为2.6KHZ.
端点B通过S4滤波器连接到AGND. 他们之中, 滤波器接地端子S1至S4均连接至飞行器屏蔽地. 由于流过 PT1000 的电流已知为 0.05mA, 通过测量D、E两端的差分电压即可计算出PT1000的精确电阻值.
S1至S4采用T型滤波器, 型号 GTL2012X-103T801, 截止频率为1M±20%. 该电路在外部接口线上引入低通滤波器，并对差分电压进行RFI滤波. 作为PT1000的预处理电路, 有效消除电磁和RFI辐射干扰, 这大大提高了采集值的可靠性. 此外, 直接从PT1000电阻两端测量电压, 消除引线电阻带来的误差，提高阻值精度.

5.2 T型过滤器
T型滤波器由两个电感和电容组成. 它的两端都有高阻抗, 插入损耗性能与π型滤波器相似, 但它不容易发生 “铃声” 并可用于开关电路.