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XTR106在铂热电阻不平衡电桥测温中的应用

[ 来源:'d' | 类别:技术 | 时间:2006-6-21 13:28:39 ] [字体: ]

出处:(石油大学自动化系,山东东营 257062)作者:华陈权 任旭虎
 
关键词】XTR106,桥路传感器,线性化,铂热电阻
论文摘要】根据铂热电阻不平衡电桥测温的原理,铂热电阻的非线性和不平衡电桥的固有非线性给温度测量带来很大的非线性误差。XTR106主要用于桥路传感器线性化的两线制专用集成变送电路。本文介绍XTR106的工作原理及其在铂热电阻不平衡电桥测温中的应用。
1 概述
    目前,热电阻和热电偶是工业生产过程中最常用的两种温度传感器。铂热电阻具有测量范围大、精度高、稳定性好、复现性高和耐氧化等特点,因此,在中低温区得到了更广泛的应用,还常被用来作为100℃~630℃范围的国际标准温度计。但是,铂热电阻的阻值和温度之间存在非线性关系。在铂热电阻传感器应用中,经常利用不平衡电桥电路把传感器的电阻变化转变为电压,但是存在的问题是桥臂电阻和电桥输出电压之间的非线性。这样,铂热电阻的非线性和不平衡电桥固有非线性给温度测量带来很大的非线性误差 。特别是测温范围较宽时,其非线性更明显。所以,当精度要求高或测温范围宽时,就必须解决线性问题。近年来,关于铂热电阻不平衡电桥测温法中的非线性校正已提出了多种方法,并得到了不同程度的应用。美国BB公司正是适应这种要求,在传感器领域推出的主要用于桥路传感器的4~20mA两线制集成单片变送器XTR106,它的突出优点是可以对桥路传感器的非线性进行二次项线性化补偿。
2 铂热电阻的非线性
    铂热电阻具有测量精度高、测温范围宽、稳定性好等优点,但铂热电阻是一种非线性测温元件。根据国际电工委员会提供的数据,铂热电阻的电阻-温度关系式为:
                      
    其中,A=3.90802×10-3;B=-5.802×10-7;C=-4.27350×1012。显然,随着测量范围的增大,非线性越来越严重。当温度测量范围为-200℃~850℃时,铂热电阻的最大非线性达到4.6%。当然,减小温度测量范围,将使非线性减小。但是,当精度要求高或测温范围宽时,就必须解决非线性问题。
3 不平衡电桥的非线性
    常用的不平衡电桥测温电路如图3—1所示,图中Rt为铂热电阻。由图3—1可知,
                   
                            
                   
这时,输出电压U0与传感器电阻的变化量RΔt/(R0+R1)近似成线性关系,此时对测量精度的影响较小。但随着传感器电阻的相对变化量RΔt(R0+R1)的增大,非线性误差越来越大 ,因而极大地影响了电桥的测量准确度。另外,由式(3—2)可知,电桥输出电压U0与电桥供电电源的电压成正比关系,因此,供电电源电压的波动也将直接影响测量精度。
    铂热电阻的非线性和不平衡电桥的非线性都给最后的温度测量带来一定的非线性误差 。所以,当精度要求高或测温范围宽时,就必须解决这个线性化问题。
4 XTR106的工作原理
    XTR106是高精度、低漂移、自带两路激励电压源、可驱动电桥的4~20 mA两线制集成单片变送器,它的最大特点是可以对不平衡电桥的固有非线性进行二次项补偿,它可以使桥路传感器的非线性大大改善,改善前后非线性比最大可达20∶1。其原理框图如图4—1所示。
                      
    图中,VREF为两路精密基准电压源2.5V和5V,基准电压源的精度为0.05%;VREG提供大约5.1V的电压源,可带2.5mA的负载电流,若超过2.5mA会影响4mA的零点输出电流;RG为外接量程控制电阻。XTR106的使用要求:
    a.整个电路的电压—电流传递函数为:
                         
    其转换精度为0.05%。
  b.电源电压范围宽:7.5V~36V。当桥路非线性大于3%,且用5V基准电压源作为桥路激励时,要求电源电压为8V~36V;
    c.当用在高精度场合时,需要外接一个NPN三极管,将外部电源电流与消耗严格地分开 ,这可大大降低XTR106的内部功耗及发热,减少热漂移,从而提高了性能。由于这个外接三极管位于反馈回路中,其参数要求如下:VCEO≥45V,βmin=40,PD=800mW。当对精度要求不高时,可直接在8脚与6脚之间连接一个3.3kΩ的电阻。
    d.由于XTR106由单一电源供电,为了保证工作在线性区域,要求输入端相对公共地6脚的电压满足:
                     
的增加而提高,所以为了提高测量精度,应尽量使VIN大一些,VIN应满足:0≤VI
N≤2.4V。当VIN<0时,XTR106的输出电流Io将小于4mA,VIN减小,Io也将继续减小,直到1.6mA为止 。当V
IN大于满量程值时,XTR106的输出电流Io将大于20mA,VIN增大,Io也将继续增大,直到28mA为止。
    f.负载电阻RL的选择,必须保证输出电流在4~20mA变化时,7、10两
脚电压在7.5V~36V之间,RLmax=(VPS-7.5)/20-RWIRING;
    g.只需简单的管脚连接就可在片内获得2.5V或5V的精密基准电压源用于桥路激励。使用5V激励时,只需将14脚直接连接到桥路;使用2.5V激励时,需要先把13脚与14脚相连后 ,再连接到桥路,如图5—1所示;
   
h.可对桥路的固有、可测的非线性进行线性化,这里的非线性包括铂电阻的非线性和不平衡电桥本身的非线性。但是XTR106只限于对桥路的抛物线型(下弯或上弯,如图4—2所示)非线性进行二次项线性化补偿,特别是对最大非线性发生在中点的抛物线型非线性的线性化最好,补偿前后非线性比最大可达20∶1。当使用5V基准电压源作为桥路激励时,可用于矫正不大于±5%的非线性;当使用2.5V基准电压源作为桥路激励时,可用于矫正不大于+5%/-2.5%的非线性。但是,对于同时存在较大正、负非线性的桥路传感器,使用XTR106对其线性改善不大。具体的线性化原理如下:
                    
    连接于管脚11与管脚1之间的RLIN为线性化电阻,提供正反馈,使桥路激励电压(精密基准电压源)能够随着输入信号VIN的变化而变化。当桥路传感器存在正的非线性(上弯,如图4—2所示)时,管脚12与管脚6连接,这时,基准电压VREF不是保持5V或2.5V不变,而是随着桥路输出(也是XTR106的输入VIN)的增加而增加,以补偿正的非线性;当桥路传感器存在负的非线性(下弯,如图4—2所示)时,管脚12与管脚1连接,这时,基准电压VREF随着桥路输出的增加而减少,以补偿负的非线性;当不需要非线性补偿时,需要把管脚11和管脚12都连接到管脚1,这时,基准电压VREF就保持5V或2.5V不变。量程电阻RG和线性化电阻RLIN的选择公式如下:
                 
式中:KLIN—线性化因子,单位为Ω。
     当基准电压源为2.5V时,KLIN=9905Ω;
     当基准电压源为5V时,KLIN=6645Ω;
     B—桥路传感器相对于VFS的非线性度。对于正的非线性(如图4—2),B取正号;对于负的非线性,B取负号。
    VFS—在没有线性化时桥路的满量程输出电压,单位为V。这时基准电压保持2.5V或5V不变。
    VREF(Adj)、VREF(Initial)—分别为线性化前后的基准电压值,单位为V。
5 XTR106在铂热电阻不平衡电桥测温中的应用
    由上述分析可知,在铂热电阻不平衡电桥测温中,铂热电阻的非线性和不平衡电桥固有非线性给温度测量带来很大的非线性误差。特别是测温范围较宽时,其非线性更明显。所以,当精度要求高或测温范围宽时,就必须解决非线性问题。利用XTR106的线性化特性就能很好地解决这个非线性问题。
    下面以量程为0~500℃的Pt100为例,说明XTR106在铂热电阻不平衡电桥测温中的应用 ,如图5—1所示。图中,电容CIN用于减小输入干扰,电容COUT用于减小输出干扰;二极管用于防止电源电压反接;R0为零点调节电阻,RG为量程调节电阻;R1=R2=5.1kΩ;R0等于Pt100在0℃时的电阻,为100Ω。R3、R4用于调节桥路初始不平衡电压和XTR106的失调电压 ,具体的电阻值由下式决定:
                     
式中,VTRIM—期望的电压调整范围,单位为V。
      RB—桥路的全阻,单位为Ω。
    如图5—1所示,由于管脚13与管脚14相连后,再连接到桥路,因而桥路的激励电压为2.5V。
                   
    在线性化之前,首先计算B0。由式(2—1)、(2—2)、(2—3),可得Pt100不平衡电桥在0~500℃时的桥路输出电压Uo-温度t的曲线,如图5—2所示,显然,它是抛物线型正的非线性,而且当t=238℃时非线性最大,为+2.86%。所以B=+2.86%,且在图5—1中将管脚12与管脚6连接,以实现正的非线性矫正。根据使用要求h,由于t=238℃几乎在量程的中点,XTR106对它非线性改善的效果很好。
                           
    由图5—2可知,VFS=0.08243V。
    然后由式(4—3)、(4—4)计算RLIN、RG
                        
     采用XTR106线性化前、后桥路输出Uo与温度t的非线性如图5—3所示,线性化前的最大非线性为+2.86%,线性化后的最大非线性为±0.15%,线性化前后非线性比达到19.1∶1,这几乎已经达到XTR106的最大线性化比20∶1,显然,XTR106非常适合在铂热电阻不平衡电桥应用。如果测温范围减小的话,线性化后的非线性将更小。
                             
    根据XTR106的使用要求e,当铂热电阻开路时,XTR106输出电流将达到上限值(约为28mA);当短路时,XTR106输出电流将达到下限值(约为1.6mA)。因此,通过测量输出电流的大小,可以判断铂热电阻的开路或短路的情况。
6 结束语
    由于XTR106两线制集成单片变送器性能稳定、精度高、价格低廉、所需外围电路少等优点以及对桥路传感器的线性化能力,这非常有利于变送器的小型化,特别是一体化温度变送器。除了用于铂热电阻不平衡电桥测温外,XTR106在热电偶温度变送器、压力(差压)变送器等领域也得到了广泛应用。



                                
  [参考文献]


[1]黄继昌,等.传感器工作原理及实用实例[M].人民出版社,1998
[2]郭亨礼.传感器实用电路[M].上海科技出版社,1992

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