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三线制PT100变送器

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简介：运放搭建恒流源给PT100供电，差分放大对PT100输出电压进行放大，12位ADC的单片机进行电压采样，数码管显示温度值，并通过串口打印数据。

开源协议

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Public Domain

创建时间：2022-09-09 14:42:42更新时间：2022-10-14 14:50:22

描述

一、引言

前段时间看到一篇文献《三线制 PT100 热电阻测温电路的设计》，作者：刘伟李晶（相关文章后面贴在附件中）。里面介绍了利用运放搭建恒流源给PT100热电阻供电，利用三线制测量原理消除导线引入的误差。

二、系统原理

PT100 传感器和现场仪表之间连线会较长，接线的导线电阻将引入测量误差，因此在工业中常采用三线制消除导线引入的误差。三线制测量原理如图 1 所示。

测量时导线电阻为 rL1、rL2、rL3，三条导线采用同规格同长度，因此；RT 为 PT100 阻值，测量端 U1 点 U2 点的测量电路采用高阻抗输入电路。为测量 RT 的阻值，在 U1 端加入恒定电流I。

则电压 U1 为：

U1=I×（rL1+RT+rL2）=I×（RT+2rL） (1)

由于 U2 测量端为高阻抗输入端，因此在导线上没有电流流过，所以：

U2=I×rL3=I×rL (2)

由(1)式减去 2 倍的(2)式得：

U1-2U2=I×（RT+2rL）-2×I×rL=I×RL=Uab (3)

因此有：RT= （U1-2U2）/I (4)

在公式（4）中已经消除了导线电阻 rL 对测量的影响，可以看出测量仅需要提供一个恒定电流 I，并测出 U1-2U2 即可。

三、三线制测量电路的设计

根据以上对三线制原理的分析，设计热电阻三线制测量电路如图 2 所示，电路由恒流源电路和差动放大电路两部分组成。其中恒流源电路主要由电压基准芯片LM358-2.5和高精度运放KTA2333以及三极管Q1、Q2组成。

恒流源电路由集成电压基准芯片 LM385-2.5 提供参考电压 Ud=2.5V，因此运放的同相端③脚电压为 5V-Ud；根据运放虚短特性可以得出 U1.1 反相端②脚的电压也为 5V-Ud。即三极管 Q1 的发射极电压为 5V-Ud，而电流采样电阻 R2 两端的电压一端为 5V，另一端接在了 Q1 的发射极，所以加在 R2 两端的电压实际为：5V-（5V-Ud）=Ud。所以流过 R2 的电流即为 I=Ud/R1=2.5V/2.7K≈0.926mA。根据运放虚断特性，R2 与 U1.1 反相端②脚之间是没有电流流过的，因此电阻 R2上的电流全部流入了三极管 Q1 的发射极，而复合三极管 Q1、Q2的 IC1=IE1-IB2，其中 IC1=β1β2IB2，由于 Q1、Q2 的 β 值一般均在 100 以上，因此 IC1>10 000×IB2，因此可以近似认为 IC1=IE1，误差为 0.01%以下，可以忽略，所以三极管 Q1 集电极电流就是发射极电流，并且在运算过程中消除了电源电压+5V 的影响，误差仅与电阻 R2与电压基准 U2 有关，因此 R2 电阻要选择温漂较小的金属膜电阻。