实验四 PT100测温
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实验四 三线制PT100测温实验
一、实验目标
1.熟悉三线制PT100测量温度原理和测量电路；
2.调用EPI提供的子vi编写测量温度程序；
3.通过万用表和示波器观测传感器输出动态变化。
二、硬件介绍
PT100测温实验板主要由两个0.5mA的电流源、三线制PT100、本地50欧和100欧精密电阻、差分放大电路（x1倍，x50倍）组成。
PT100测温电路板
2.1测量原理
金属具有随温度升高而电阻值变大的特性，与PTC热敏电阻性质类似，铂电阻的阻值会随温度变化，电阻—温度特性呈线性关系。
按照国际电工委员会IED751国际标准，依据温度系数TCR=0.003851、Pt100（R0=100Ω）、Pt1000（R0=1000Ω）标准设计铂电阻。
铂电阻的温度测量范围若处于0℃~600℃时，可用下式表示：
Rt=R0(1+At+Bt2)
若处于-200℃~0℃温度范围时，则可用下式表示：
Rt=R0[1+At+Bt2+C(t-100)t3]
其中：
Rt：温度为t时的电阻值
R0：温度为0是的电阻值
t：任意温度值（℃）
A、B、C：分度系数（如：PT100 TCR=0.003851时分度系数A=3.96847×10-3/℃-1
B=-5.847×10-7/℃-2 C=-4.22×10-12/℃-4）
表1所示为PT100铂电阻的分度表；图2为铂电阻的电阻—温度特性曲线，可以看出其线性关系较为理想。
图2 铂电阻电阻—温度特性曲线
| 温度℃ | 电阻值（Ω）R0=100.00Ω | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | |
| 0 | 100 | 100.39 | 100.78 | 101.17 | 101.56 | 101.95 | 102.34 | 102.73 | 103.12 | 103.51 |
| 10 | 103.9 | 104.29 | 104.68 | 105.07 | 105.46 | 105.85 | 106.24 | 106.63 | 107.02 | 107.4 |
| 20 | 107.79 | 108.18 | 108.57 | 108.96 | 109.35 | 109.73 | 110.12 | 110.51 | 110.9 | 111.28 |
| 30 | 111.67 | 112.06 | 112.45 | 112.83 | 113.22 | 113.61 | 113.99 | 114.38 | 114.77 | 115.15 |
| 40 | 115.54 | 115.93 | 116.31 | 116.7 | 117.08 | 117.47 | 117.85 | 118.24 | 118.62 | 119.01 |
| 50 | 119.4 | 119.78 | 120.16 | 120.55 | 120.93 | 121.32 | 121.7 | 122.09 | 122.47 | 122.86 |
| 60 | 123.24 | 123.62 | 124.01 | 124.39 | 124.77 | 125.16 | 125.54 | 125.92 | 126.31 | 126.69 |
| 70 | 127.07 | 127.45 | 127.84 | 128.22 | 128.6 | 128.98 | 129.37 | 129.75 | 130.13 | 130.51 |
| 80 | 130.89 | 131.27 | 131.66 | 132.04 | 132.42 | 132.8 | 133.18 | 133.56 | 133.94 | 134.32 |
| 90 | 134.7 | 135.08 | 135.46 | 135.84 | 136.22 | 136.6 | 136.98 | 137.36 | 137.74 | 138.12 |
| 100 | 138.5 | 138.88 | 139.26 | 139.64 | 140.02 | 140.39 | 140.77 | 141.15 | 141.53 | 141.91 |
表1 PT100铂电阻的分度表
2.2 恒流法测量PT100
两线制测量电路
保持恒定电流经过铂电阻即可称为铂电阻恒流测温电路，其基本测量原理如图4所示。两个恒流源0.5mA分别驱动PT100和本地高精度100欧电阻，电阻两端再通过差分放大器后输出一个稳定电压，测量电压，再通过公式换算，就能得到测量所需的温度。这种方式PT100的引线电阻（下图中红圈圈出的部分）会影响精度。
图4 两线制PT100恒流源测温原理
三线制测量方式
为了减小PT100引线电阻的影响，采用三线制的PT100来进行信号调理。PT100的线电阻就不会影响精度。
图5 PT100三线测温原理
三、实验步骤
3.1 硬件电路连接
本次实验使用三线制PT100电阻，电路硬件连接图如图6所示，这里使用板上1V电压基准驱动压控恒流源（也可以使用S1输出直流电压驱动），示波器使用通道AIN1测量输出示波器测量输出。
图6 三线制PT100测温电路板连接（使用板载1V参考，示波器和万用表同时测量）
下表列出传感器板和EPI设备连接关系：
| 传感器板需要功能 | 传感器板接口 | EPI对应接口 | EPI接口功能 |
|---|---|---|---|
| 恒流源压控输入 | 输入 | S1 | 信号源S1 |
| x50差分放大器输出 | 放大器输出 | AIN1 | 示波器AIN1 |
| x50差分放大器输出 | 放大器输出 | V | 万用表电压测量端口 |
| 与万用表共地 | GND | COM | 万用表公共端 |
| 与示波器，信号源共地 | GND | GND | 仪器仪表GND |
3.2 labview运行
Labview运行后，可以看上位机温度变化。
3.3 观察测量
1. 读取温度计测得当前温度。观察【温度数据】波形图，记录温度测量数据。
2.
改变PT100温度。有条件的实验室可使用PT100测量冰水混合物及沸水，分别测量0℃及100℃时两种铂电阻测得的温度，并验证PT100在这两种参考温度下的电阻值。
四、LabVIEW程序解读
程序使用 EPI 提供的接口函数通过软件编程实现传感器控制/测量。主要使用“初始化.vi”
、“数据采集.vi” 、“采样率设置.vi” 、“采样量程设置.vi” 、“S1设置.vi”
、“万用表数据.vi”等。
程序采用事件结构，在最开始运行时，先进行“S1开关”事件处理，关闭S1直流输出，然后在while循环中，事件处理结构中，“超时”中一直进行数据采集，采集可以通过示波器或万用表的电压档来采集，当前面板设置值改变时，事件处理结构处理完事件后再回到“超时”中进行数据采集。
4.1 整体框图
图 7
展示了本实例的运行界面和程序框图。
图 7 运行界面
初始化和While循环
事件处理 - “超时”
事件处理 “S1开关，S1直流设置值改变”
4.2 程序流程图
程序流程图如图9所示，先进行初始化，然后一直再while循环中采集数据，将采集到的数据计算得到当前温度值。
图9 实例流程图
4.3 初始化设置
程序初始化设置状态，该状态完成EPI
通信端口设置、电源开启（设置±V为±12V）、示波器通道设置（采样率，采样量程，耦合），当然用户也可设置成各个参数可变。若设置成可变，后面while循环中进行调节。初始化代码如图
10 所示：
图 10 初始化
（1）初始化.vi：该 VI 会自动查找 EPI
的通信端口，找到后其会设置该端口参数，初始化.vi
返回“4/5/6”时才对设备进行设置，即在“4..6”分支中设置，若返回其他值表示初始化设备失败，不进行任何操作。
（2）正电压设置.vi：该 VI 用于设置对外输出正电源的电压12V，电流300mA，输出使能。
（3）负电压设置.vi：该 VI
和正电压设置VI类似，用于设置EPI的对外输出负电源的电压为-12V，电流300mA，输出使能。
（4）采样率设置.vi：该VI用于设置EPI的采样率为100kHz和采样深度5000。
（5）采样量程设置.vi：该VI用于设置EPI的AIN采样量程为±800mv。
（6）万用表功能选择.vi：该VI用于设置万用表的功能，设置为直流电压测量。
（7）AIN耦合.vi：该VI用于设置EPI的AIN1为DC耦合。
4.4 While循环
While循环状态下在超时事件结构中，设置“超时”事件为100ms，相当于每隔100ms空闲事件处理一次“超时”结构里面的程序。在该状态下主要进行示波器/万用表数据采集和计算温度。该状态代码如图
11 所示：
图 11 while循环程序 – 示波器采集值
图 11 while循环程序 – 万用表采集值
4.5 计算温度程序
万用表/示波器 采集到的是电压值，当前温度PT100电阻值:
根据公式：
Rt=R0(1+At+Bt2)
Rt = 当前电压/设定电流；
R0 = 100;
PT100 TCR=0.003851时分度系数A=3.96847×10-3/℃-1 B=-5.847×10-7/℃-2
解法一元二次方程，可以得到当前温度t.
程序如图12所示：
图 12 计算温度程序
在实现上，程序会一直采集数据。当手触摸PT100传感器是，观察温度变化，观察传感器输出变化。
4.6 基准电压设置
如果不使用板载1V参考电压来驱动恒流源，而使用EPI的信号源输出1V直流电压时，S1设置如下。采用事件结构实现。
图13 事件 - S1值改变
（1）S1设置.vi：该 VI 设置S1的输出(正弦波与三角波)，包括S1的频率，峰峰值，直流。