铂电阻温度传感器的测量方法及其应用

TI公司的高精度运算放大器AD620，AD620采用差分放大器将桥臂输出的电压差转换为单端电压并进行放大，其差分放大器的失调电压很小，消除失调意味着输出端微小差分信号得到放大而失调电压不被放大，其增益电阻选择阻值为5 kΩ的高精度电阻，则运算放大器增益为k=10.88，则通过公式(4)计算可知，VOUT有效输出电压范围为1.667～6.259 V。

3.2.1 传感器异常情况下采集结果

在铂电阻测温系统中，铂电阻传感器的工作环境通常比较恶劣，从传感器引线端到测量系统的引线通常达十余米，在设计时对引线的保护也非常重要，要避免出现断开以及相互短路的现象发生，在某些特殊领域(例如航空工业、石油勘探)，系统要求当出现类似的故障时测量系统应当能够主动识别，要求系统具有告警能力。

3.2.1.1 在传感器开路情况

传感器开路，对于测试系统可以分为以下几种情况来分析，如表1所示。

由上表1可知，当传感器出现了开路故障，运算放大器的输出电压VOUT=13.6 V或VOUT=-12.7 V，即在传感器开路条件下，运算放大器进入饱和状态;而在传感器正常工作条件下，运算放大器的输出电压VOUT均在正常放大区内。

3.2.1.2 在传感器短路情况

通常情况下铂电阻传感器不会出现短路的情况，在使用不当，例如传感器引线磨损导致线间短路，那么由式(4)可知，VOUT的输出如下所示：

此时VOUT输出为运算放大器正的饱和值(13.6V)，如表2所示。

因Wire1、2本身就是从一端引出，故Wire1、2不存在短路故障状态。由上表2可知，当传感器出现了短路故障，运算放大器的输出电压VOUT=13.6 V，即在传感器短路条件下，运算放大器进入饱和状态;而在传感器正常工作条件下，运算放大器的输出电压VOUT均在正常放大区内。

3.2.1.3 在传感器异常情况告警功能

通过分析了传感器在开路、短路故障条件下运算放大器的输出电压值，可以得出在此两种情况下，运算放大器的输出为其饱和值，即开路、短路状态与正常采集状态没有数据重叠区，系统就可据此监控传感器是否正常工作。则本测量系统均可以识别出传感器故障，该系统具有实时告警功能，可以将传感器实时故障情况告知系统。

4 四线制引线测量电路

从图4中还可以看出，其中，Wire1和wire4是铂电阻的恒流源回路，恒流源提供的电流不会受导线电阻和负载大小的影响;W2和W3是铂电阻的2根测量信号线，因运算放大器的输入阻抗很大(10 GΩ)，则引线电阻的分压可以忽略，因此，测量到的就是实际被测电阻值。因此，四线制接法能够最大限度地降低测量噪声，提高测量精度。

I为恒压源，R为限流电阻，被测电阻为Ri，线电阻为r，测试电路如图4所示。按照欧姆定律计算可知：

VOUT=k*I*RT (7)

上式中，RT：被测铂电阻传感器电阻值;k：运算放大器线性放大系统(通常由增益电阻Rg设定);VOUT：运算放大器输出电压值。

从(8)式中可以看出，用四线制引线方式进行采集，VOUT的输出电压与系统限流电阻R及引线电阻r的大小均无关。

可见，在测量系统与传感器之间距离较远时，则线电阻r对铂电阻采集精度的影响非常大，因此两线制铂电阻仅适合于引线距离比较近，测量精度要求一般的场合。

5 结束语

本文介绍了铂电阻温度传感器的三种不同引线方式的采集测量电路，具体分析了各自采集系统的优缺点，对于工业上使用广泛的三线制电阻，系统地分析其采集电路，着重分析了不平衡电桥采集电路，对于不平衡电桥采集电路的各类异常情况也做了详细分析，在实际测量中对各种异常情况进行了模拟试验，并且给出了具体的测试参数与判断方法，本文中的测量电路结构简单测量精度高，具有很强的使用价值。