恒流源PT100测温电路原理分析与实现详解

#什么是PT100?
PT100是铂热电阻，它的阻值会随着温度的变化而改变。PT后的100即表示它在0℃时阻值为100Ω，在100℃时它的阻值约为138.5欧姆，它的阻值随着温度的变化近似线性变化，变化率≈0.385Ω/℃。PT100测温范围很宽，精度也很高，在工业领域得到广泛应用，在合理的电路设计配合下，其测温范围可达-200℃～+850℃。

#PT100分度表
如下图所示为PT100分度表

#PT100两线、三线与四线制区别？
两线制：两线制接法的PT100，输出阻值为铂电阻的阻值和连接导线的阻值之和，由于导线电阻带来的附加误差是实际测量值偏高，测试精度相对不高，适用于测温源距离较近且测温精度要求不高的场合。

三线制：三线制接法的PT100，要求引出的三根导线截面积和长度均相同，测量电路一般采用不平衡电桥，PT100作为电桥的一个桥臂，将一根导线接到电桥的电源端，其余两根分别接到铂电阻所在的桥臂机器相邻的桥臂上，电桥桥路平衡，则导线电阻的变化对测量结果不会有任何影响，消除了测量中导线电阻所带来的测量误差。三线制接法的PT100测温精度更加准确，在实际应用场景中得到广泛的采用。

四线制：四线制PT100是用两条附加测试线提供恒流源，电压采集电路通过另两条测试线测量PT100电阻的电压降，当电压采集电路输入阻抗足够高的时候，电流几乎不会流过电压采集电路，就可以精确采集到PT100上的压降，通过计算得出PT100电阻值，从而得到测试温度值。四线制接法成本较高，通常用于温度采集精度要求较高场合。

#三线制PT100温度测量电路设计
由于三线制应用较为广泛，本文仅设计一种基于PT100三线制接法的测温电路进行设计与分析。

如下图所示，三线制PT100接法采用三条相同规格长度的导线，导线电阻分别为RL1、RL2和RL3，近似相等。U1、U2测量电路采用高阻抗输入电路。为测量PT100两端电阻的阻值，采用恒流源从U1端输入PT100回路。
由图可知：U1 = I × (R_PT100 + RL1 + RL2)
由于U2测量电路采用高阻抗输入电路，I_RL2电流近似为0，推导出：U2 = I × RL3
因RL1 ≈ RL2≈ RL3
故U1 – 2U2 = I × R_PT100，推导出：R_PT100 = (U1 – 2U2) / I (公式1）
此时，已经消除PT100接线的影响，我们仅需设计一个恒流源I，并测出U1 – 2U2，即可计算出PT100阻值，从而换算出量测的温度。

根据以上分析原理，设计PT100三线制测温电路如下：

Vref为1.2V电压基准，由运放的虚短特性可得出R2两端电压为VCC – Vref ， 则流过R2的电流 = (VCC – Vref）/ R2。
根据运放的虚断特性，R2与运放U2A反向端电流近似为0，流过R2的电流全部流入Q2发射极，而Q1、Q2组成的复合管Ic = Ie + Ib，由于Q1、Q2的β值一般均在100以上，故复合管的β = β1β2 ≥ 10000，推导出 Ic ＞ 10000 Ib2，Ic ≈ Ib，误差＜ 0.01%，可以忽略不计。
差分放大电路由放大运放U3B及R3、R4、R5、R6和R8、R9构成，其输入输出传递函数为：Uo = (R8+R9)/R8 × [(R5 + R7)/(R4 + R6) × R6/R5 × U1 – R7 / R5*U2] ≈ 19.2 × （U1 – 2U2） （公式2）
推导出(U1-2U2) = Uo / 19.2，再由公式1求出R_PT100 = (U1-2U2) / I = Uo / (19.2 × I）。
至此，R_PT100电阻值求解完成，由PT100分度表即可查询出当前测量的温度值。

我们在Multisim中进行仿真，用一个电位器代替PT100作为温度变化时阻值的变化，结果如下：

当测量温度为0℃，PT100阻值为100Ω

当测量温度为100℃，PT100阻值为138Ω

由此，通过单片机测量Uo电压，即可算出当前温度，仿真结果也完全符合分析结果。