基于RTD传感器电路的良好性能分析

RTD传感器的标准使用方式是把它包含在后接一个差分放大器的桥路中。问题在于，两个非线性因素（一个来自传感器，一个来自桥路）会影响传递函数。一些方法试图避免这个问题，但它们往往既庞大又昂贵。某种备选电路建议只给差分放大器添加一个额外电阻，但它既未提供设计指导原则，也未提供结果。本设计实例填补了这个空白。虽然电路分析有些复杂，但性能很好，并且该电路使用的元件很少。

除了铂RTD（R？Θ）以外，该电路只有6个精密电阻、1个运算放大器、1个电压参考（图1）。R4是差分放大器的额外电阻，向传感器交付额外电流，它与正在测量的温度有关。借助恰当设计，该电路可在多种输入温度提供良好的线性和稳定性。输出电压VO按以下方式依赖于电路元件：

其中YI=1/RI，I=0 至 4。

对于正温度，以下形式的二次多项式可近似表示RTD特性：

其中R0是0℃时的传感器电阻，α和β是系数，Θ是被测温度。首先替换第二个方程，并做一些变换后，得到：

其中B、C、K是常数，f（Θ）是温度的函数。图2描绘了f（Θ）的一般形状。当f（Θ）尽可能接近于常数时，输出电压以线性关系依赖于温度。这种情况在f（Θ）的极小点周围最正确。一些额外的关系规定输出电压在0℃时为0V，转换系数为10 mV/℃，函数f（Θ）的最小值在测量范围中心，流过RΘ的电流导致的传感器自热可忽略不计。

图3描绘了符合这些要求的电路。传感器为DIN-IEC 751铂RTD。Microsoft Excel软件从该RTD的校准表拟合了13个点，范围是0至600℃，步长为50℃。该电子数据表软件确定R0的值为100Ω，α的值为3.908×10–3（℃）–1，β的值为5.801×10–7℃–2，R2因子为1。

电路所有电阻的公差为0.02%，温度系数为50 ppm/℃。可使用两个微调电位器VR1和VR2来独立调节0读数和范围读数。应该在550℃执行范围调节，以便匹配正误差和负误差的大小。在不超过基本非线性的前提下，还可扩展温度范围，使它不从0℃开始，而是从–100℃开始。通往传感器的三引线连接明显减轻了连接电缆电阻RC对准确度的影响。

表1描述了该电路性能的评估结果，采用了校准的精密十进制电阻、校准的4.5位万用表（读数环境温度为24℃和68℃）、±12/±15/±18V电源、0/5Ω电缆电阻。