三线制PT100温度变送器
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。
差动放大电路主要由运算放大器 u1.2 以 及 电 阻 r3、r5~r9 组成，其输入输出传递函数如下：
uo = (r9+r8)/r9 * [ (r6 + r7)/(r3 + r5) * r5/r6 * u1 - r7/r6*u2 ] = 11 * (u1 - 2u2)
rt = (u1-2u2)/i，i = ud / r2
所以，rt = uo/11/i = (uo * 2700 )/ (11 * 2.5)
经运放 u1.2 差动放大后的信号经 r10、c4 进行低通滤波后送的 ad 转换器进行数字化测 量即可， 根据测出的 rt 值查 找pt100 分度表并经插值运算即可得到温度值。
为了提高测量精度，电路中运算放大器选用常用的kta2333低噪声低温漂精密运算放大器。 它的输入失调电压小于 10μv，输入偏置电流±100pa，输入失调电压±120pv,失调电压漂移仅有 0.05μv/℃。
四、其他功能介绍
单片机采用stc的stc8h3k32s2-45i-lqfp32，该芯片具有12位的adc，可以满足本方案的采样精度要求。并且在电路中增加tl431。用电位器调至准确的2.5v后，经单片机采样后可以计算出电源电源，从而准确的计算出pt100变送后的电压值。
显示部分采用的是tm1650可以驱动4位8段数码管，进行温度显示。
通信部分采用的是max485，通过rs485将温度值实时打印。
电源部分，采用xl2009降压芯片，输入可以8v ~ 36v宽电压供电。
五、调试过程
1、先检测供电电源部分：+5v供电电源是否正常
2、验证pt100电阻检测部分电路精度
先测试pt100当前阻值为111.0r
将pt100接到电路板上，测量经运放放大后的输出电压为1.13v，代入公式rt = uo/11/i = (uo * 2700 )/ (11 * 2.5) ，算出电阻值为110.9r。
查pt100分度表，误差大概在0.25℃，硬件部分的精度可以满足需求。
3、程序部分调试
这部分参照附件的程序代码。（编译环境是基于keil c51 v9.00 + tkstudio v4.5.1）
六、成果展示
智慧医疗的发展伴随着什么问题的困扰
智能电视与人工智能电视有什么区别
特斯拉Autopilot设计不当造成车祸，安全委员会也曾批评过
那些成功者不会告诉你的创业教训和经验
苏宁无人重卡上路测试 时速可达80km/h
三线制PT100温度变送器
华为“IPv6+”智能云网解决方案赋能低碳城市建设
高云半导体EDA开发工具增加了对Ubuntu的支持
接入交换机TOR、EOR、MOR三种架构介绍
人工智能产业是否会成为下一个风口
微软为Windows 10用户修复与USB相关的Bug
2021年锂电设备投资需求将延续高增长
减速电机的种类有哪些
TF卡座的优点介绍
DeepCube宣布推出唯一基于软件的推理加速器
关于松下、三星、LG在锂电方面新动态
你在把你的隐私递给AI吗
java本身自带的SPI扩展机制是怎么一回事？
大电流电感扁平线圈具备的特点及选择要点说明
库存、老品规模过亿 空调卓越品牌并不用悲观
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。
差动放大电路主要由运算放大器 u1.2 以 及 电 阻 r3、r5~r9 组成，其输入输出传递函数如下：
uo = (r9+r8)/r9 * [ (r6 + r7)/(r3 + r5) * r5/r6 * u1 - r7/r6*u2 ] = 11 * (u1 - 2u2)
rt = (u1-2u2)/i，i = ud / r2
所以，rt = uo/11/i = (uo * 2700 )/ (11 * 2.5)
经运放 u1.2 差动放大后的信号经 r10、c4 进行低通滤波后送的 ad 转换器进行数字化测 量即可， 根据测出的 rt 值查 找pt100 分度表并经插值运算即可得到温度值。
为了提高测量精度，电路中运算放大器选用常用的kta2333低噪声低温漂精密运算放大器。 它的输入失调电压小于 10μv，输入偏置电流±100pa，输入失调电压±120pv,失调电压漂移仅有 0.05μv/℃。
四、其他功能介绍
单片机采用stc的stc8h3k32s2-45i-lqfp32，该芯片具有12位的adc，可以满足本方案的采样精度要求。并且在电路中增加tl431。用电位器调至准确的2.5v后，经单片机采样后可以计算出电源电源，从而准确的计算出pt100变送后的电压值。
显示部分采用的是tm1650可以驱动4位8段数码管，进行温度显示。
通信部分采用的是max485，通过rs485将温度值实时打印。
电源部分，采用xl2009降压芯片，输入可以8v ~ 36v宽电压供电。
五、调试过程
1、先检测供电电源部分：+5v供电电源是否正常
2、验证pt100电阻检测部分电路精度
先测试pt100当前阻值为111.0r
将pt100接到电路板上，测量经运放放大后的输出电压为1.13v，代入公式rt = uo/11/i = (uo * 2700 )/ (11 * 2.5) ，算出电阻值为110.9r。
查pt100分度表，误差大概在0.25℃，硬件部分的精度可以满足需求。
3、程序部分调试
这部分参照附件的程序代码。（编译环境是基于keil c51 v9.00 + tkstudio v4.5.1）
六、成果展示
智慧医疗的发展伴随着什么问题的困扰
智能电视与人工智能电视有什么区别
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苏宁无人重卡上路测试 时速可达80km/h
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高云半导体EDA开发工具增加了对Ubuntu的支持
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java本身自带的SPI扩展机制是怎么一回事？
大电流电感扁平线圈具备的特点及选择要点说明
库存、老品规模过亿 空调卓越品牌并不用悲观