DIY手持四线铂电阻测温表（征求套件价格）

tianda_spl

征求套件价格，见2楼

一、目标 实用为主，力求达到：1.       精度±0.2℃±0.002×当前温度；2.       分辨率0.01℃；3.       测温范围-30～150℃；4.       9V电池供电和手持型。 二、方案
三、电路原理     如下图，恒流源又好又简单，ADC可共用基准。 AD780输出3.3V，LT1012的反相输入端跟随同相输入端电压，流过RC的电流为1mA。由于运放偏置电流极小，则流过铂电阻的电流就是1mA。通过改变RC的阻值，使得恒流源为0.1mA，可以使用1000欧姆铂电阻。U1 = AD780BNU2 = LT1012、AD8671、OPA277、OPA227、OP177、OPA177、OP27、OP07 差分放大电路将铂电阻两端的电压差转为对地的单端输出，放大20倍。因差分放大器输入阻抗小，用U3做成隔离缓冲。没有使用成品仪用差分运放，是考虑到精确控制增益和噪音小的优点，缺点是不太稳定（见测试）。U3 = AD8672、OPA2227、OPA2277       U4 = AD8671、OPA227、OP27       ADC系统简洁明了，选用LTC2400的原因是“你有我有全都有啊”。数字系统清晰易懂，无需唇舌。 选用何种运放得视拆机件还是原装品而定，以上标红为实物型号。 附件里有整体电路图。 PDF电路图.pdf (62.73 KB, 下载次数: 82)

2013-5-4 15:29 上传

点击文件名下载附件

四、PCB版图
1.       右上角是4个标准间距的香蕉插座，上排电压下排电流，极性和方向均已标注。将左右2个跳线短路可配置为2线制。如果使用贴片式铂电阻或者短引线的铂电阻，请焊接在标注“板载RTD”的位置，并将跳线短路。2.       用绿色圈起来的两处请在背面飞线。3.       兼容3.8mm和5mm脚距的金属箔电阻。4.       芯片的封装图，有三角标记的是第①引脚。5.       请使用插座安装单片机，请使用插座垫高液晶屏，请使用侧可调电位器。6.       有几个器件在PCB背面。7.       使用0805贴片电阻电容，串口的4个1uF电容使用1206尺寸。8.       定位孔可以拧铜柱，其中有一个是给LCD共用的。9.       左上方是电源接口和温控输出信号。 五、带壳组装





由于单片机引脚不够用，使用4总线操作液晶，应该连接到液晶接口的D4---D7，但是我没看手册，误以为是D0---D3，只好采取连线补救，幸好做PCB时留有3个备用焊盘。 六、校准 消除系统误差电路系统和RTD都有误差，分开校准更符合逻辑。精密测温比精密测电压困难多了，如果我们以实用的±0.1℃为原则，电路误差对最终结果没什么影响，可以不校准。如果要校准，包括以下3种：1.       基准电压和电阻不准的影响，这些固化到软件数据；2.       运放失调的影响，使用100欧姆假负载做零点校准；3.       噪声的影响，提高差分增益和软件取平均。 消除RTD误差在某温度下与二等水银温度计比对，一点校准即可。若买到的是“糟糕”类型的RTD，需多点校准。分辨率测试采取假负载测试方法。对于100欧姆RTD，温度变化0.01℃，相当于电阻变化0.0039欧姆，用100欧姆串联4毫欧电阻测试。 七、测试              准备工作。       100欧姆AE XT，用于调零。没有设计自动消除失调的电路，只能人工进行。接上这个电阻，如读数不为零，记下来，修改程序数据，每次测量扣除。 二等水银温度计和四线铂电阻。
电池和四线鳄鱼夹

tianda_spl

想做出套件，10人以上。特此征求接受价格范围。

1.套件不包括铝合金盒，这个原因也很简单，装壳相当费力，你没有足够工具，无法完成，我是靠手钻和锉刀，做一个样机，已经到极限了。虽说不包括壳，我可以给你接插件，你自己装壳。

2 AD780、塑料块二手，LTC2400可拆机可正品，拆机20多，正品90多（我就是从e络盟买了一个）。

3 其他重要器件（运放、232等），我从e络盟购买。

4 运放可以不包括，但是如果要运放，我只发正品AD8671/2，这个最便宜，拆机运放，因为没办法测试性能，暂不支持。

5 可以给你买PTF56之类电阻，但是0.1%，且不配对。

6 我要有利润。

目测，满足以上条件，价格250元或340元（新LTC2400）。

视频1，插入链接。http://v.youku.com/v_show/id_XNTUxOTQ5NzMy.html

视频1测试调零之后的100欧姆假复杂，可以看本地噪音。

视频2，插入链接。http://v.youku.com/v_show/id_XNTUxOTUwNDUy.html

视频2，室温23℃下的测试，可以看精度和分辨率。后面一段是用手接近（没有碰上）铂电阻的情况，一个人弄，拍的不太好。

daijun

不错，宋老师啥时候出套件

sssaaa

不错，量程能到600度就好了。

cuison

很好，能否记录数据做基准温漂？

tianda_spl

cuison 发表于 2013-5-4 16:25
很好，能否记录数据做基准温漂？

现在还没有这个功能。以后再完善软件。
打算通过串口收发命令，把温度传给电脑。但是只能记录温度。
另外还打算设置上下温度限，有一个数字信号输出是否超过上下限，这样可以做恒温控制器。
不过这个单片机资源很有限，前些天一直想完善软件，总是不成功。

hldiy

支持原创！

tianda_spl

sssaaa 发表于 2013-5-4 16:18
不错，量程能到600度就好了。

把基准换成5V，降低差分增益，可以到600度，整体电路放室温。

轩尼诗

支持原创～

shichen717

一个小问题，Pt100是镍腿，焊接导线后形成Ni-Sn-Cu结，而且Pt100的温度与与铜导线肯定不同，会造成10uV以上的热电动势，对温度测量准确度有多大影响？

bstele

很好的东东，支持出套件

tianda_spl

shichen717 发表于 2013-5-4 20:40
一个小问题，Pt100是镍腿，焊接导线后形成Ni-Sn-Cu结，而且Pt100的温度与与铜导线肯定不同，会造成10uV以上 ...

从3方面回答：
第一：我买的这个是成品四线的Pt100，它里面是不是焊接的，这个我也不知道。铂电阻都是镍引脚，如果不焊接，可以拧在一起。
第二：我的样机在没有校准的情况下（也就是没调零之前），从输出端有1.6mV失调（包括运放，放大器，和LTC2400的失调），这1.6mV的失调造成的误差是约0.2度。如果这算到铂电阻端，除以20倍放大增益，就是80uV造成0.2度误差，所以10uV不会造成太大误差。
第三：可以在某个温度下校准一下。

shichen717

1mA 100欧姆约100mV，10uV为100ppm，PT100温度系数约3800ppm/C，10uV相当于0.026C，造成的误差确实不高，但高于分辨率，可观察到，因此会降低重复性。

最重要的问题，这个10uV是不断变化的，而且同在一个温度下，热电动势也可能不同。

tianda_spl

shichen717 发表于 2013-5-4 21:06
1mA 100欧姆约100mV，10uV为100ppm，PT100温度系数约3800ppm/C，10uV相当于0.026C，造成的误差确实不高，但 ...

你说的有道理，对分辨率有影响，说不清楚是温度变化还是热点视变化。
不过，我不太清楚，热电视在固定温度下会变化多少，也不清楚随温度的变化。
假设吧，热电视是10uV，温度不变，那么热电视会不会有超过10%的波动？

shichen717

tianda_spl 发表于 2013-5-4 21:20
你说的有道理，对分辨率有影响，说不清楚是温度变化还是热点视变化。
不过，我不太清楚，热电视在固定温 ...

温度计通常不会测量固定不变的温度，因此变化的温度引起的热电动势一定存在，而且与温度变化的方向有关系，误差可正可负。

其次，即使温度不变，热电动势也会发生在两根sense线上，无法保证两个锡焊接Ni-Sn-Cu结的温度完全相同，而且锡是一种半金属，有半导体特性，Ni-Sn和Sn-Cu结的热电动势温度系数都很大，因此两个结的热电动势差应该不太小。如果是冷压或高压焊接熔融的连接方法，则直接是Ni-Cu结，也是一个热电动势及其温度系数较高的结。

这与热电偶A-B结的冷端补偿要求相同，冷端处A-Cu结与B-Cu结的温度必须完全一致。通常在使用热电偶的精密测量中，冷端A-Cu结和B-Cu结需要安装在一块巨大的铜热沉上并用PT100测量冷端温度进行补偿，以保证温度差为零，从而避免温差引起的冷端热电动势误差，甚至连光照都要避免。但热电偶的冷端远离测温点，相对而言更容易做到零温度差，四线PT100的焊接点距离测温点过近，热电动势的影响在精密测量中不可忽略。

当然，这些讨论均属于高精度测量范畴，对于0.1C的准确度应该没有过多影响。

y_u_a_n_l_a_i

看了回复，觉得很好

iking921

技术文章，支持!

shichen717

还有几个可改进的地方：
1. 三运放仪用放大器的增益最好放在第一级，可提高共模抑制比10倍，后面的差分放大器还可使用完全相同的4个电阻，提高增益的温度稳定性。而且这样不用塑料块，718厂的0.1%电阻已经足够足够好，但便宜得多。
2. 78L05换低功耗稳压器TPS76301，否则多耗1mA静态电流。
3. 电流源的两个输出端和仪用放大器的两个输入端需要各串联至少100欧姆0805电阻，对接口进行保护。
4. 比例测量，基准源不用太好的，理论上由供电电压分压都可以，而且AD780静态电流1mA，建议换为LM385-2.5之类便宜但功耗低的基准。
5. LCD的背光非常费电，亮度最好可控。

如果可用塑料壳，我去找找，有做工很好的，我可简单机械加工，需要的话给我个尺寸。

tianda_spl

shichen717 发表于 2013-5-5 08:49
还有几个可改进的地方：
1. 三运放仪用放大器的增益最好放在第一级，可提高共模抑制比10倍，后面的差分放 ...

非常感谢你的建议，从简到繁逐个回复一下。

1 液晶是有背光控制的，有一个跳线，拔下来就行，对比度也可调，有一个电位器。
2 关于基准，确实没必要这么好。用这个有两个原因;
        A:很多基准都和这个引脚兼容，好像LM385之类的也有DIP8的封装，所以基准可以自选，电路上如果改成LM385，TO92的封装，会失去兼容性。
        B:自己找个洞洞板，外接一个管子，就可以增大恒流电流，进而完成4线电阻测量，这是需要好的基准，也是为了通用性。
3 7805可以换，降低功耗。目前正在考虑，价格和是否易于购买，特别是封装，我想要直插，我不想太大改动，可以换成HT7150。
4 关于差分放大，位置改不了了。但是我发现一个问题，在帖子里没有说到。一会说一下。
5 电流源增加100欧姆电阻，我没有明白是怎么回事，请进一步说明。

关于差分运放，这块电路有振荡的问题。
我先把铂电阻或者假负载100欧接好，然后上电，比如预测应该出2.0V，但是经常从差分输出得到的是0.1V左右，也就是截止到负轨（因为是单电源供电，所以只能到0.1V左右）。这种现象经常出现。我解决的方法，就是断电，然后把恒流源的+端拔下来，重新上电，再加上+电流源，反复弄几次，就好了。
好像是上电的时候，这个运放不能进入线性放大状态，没找到其他原因和改进方法，望指教。我以前用Lt012也是这么搭电路，没有出现过这个问题。因为LT1012噪声太大，所以不能用在这里。

关于热电势的问题，我没有深入研究。只想提及2此测试。
第一次，加入100欧姆AE XT假负载，充分稳定后，观测到约0.001度的变化。显然温度近似不变，AE电阻的温漂可以说很小，理论上不会引起0.001度的反应，所以这个变化来自两处，电路本地噪声和热电势。因为AX XT也是焊接的。

第二次试验，接上PT100，刚接上，由于PT100自热升温，等充分稳定后，观测，数十秒内变化小于0.001度量级，数分钟内变化约0.01量级。

tianda_spl

对了，还有塑料壳的问题。
金属壳可能好看一些，但是很难加工。
塑料壳，目前没有找到很合适的。你看我之前1做的那些东西，都是用同一个大小的盒。
用塑料壳也有个好处，可以增加几个按键。电阻，确实太贵，可以考虑别的。

richard_wz

我有DIY的雕铣机可以为坛友免费开孔，也算是为本坛做点小小贡献。

shichen717

tianda_spl 发表于 2013-5-5 10:22
非常感谢你的建议，从简到繁逐个回复一下。

1 液晶是有背光控制的，有一个跳线，拔下来就行，对比度也 ...

1. 仪用放大器的问题

AD8672的手册“Unity-Gain Follower Applications”中要求在1V以上阶跃输入时需要增加反馈电阻。实验中的问题可能与此相关。电路上电时会出现1V以上的阶跃输入。但问题看似更像输入端电压过载造成的Phase Reversal，但激励和测量中的运放同样使用9V供电，共模输入限制可达到Vcc+1V的AD8672似乎不应出现这种情况。

电路中有一个问题，下面的跟随器负载500欧姆，需要耗电6mA，对于电池供电太过奢侈了。而且在6mA的输出电流下，运放性能会严重下降。运放手册中的指标通常要求RL>2k。

这是高增益差分放大器的严重问题，输入阻抗过低。但通过增大电阻提高输入阻抗会造成电阻噪声过大。

因此，结合共模抑制比的问题，很有必要更改为严格的三运放仪用放大器。差分放大器如果需要达到60dB共模抑制比，需要0.01%匹配电阻。如果更改为三运放仪用放大器，只需0.1%，此时差分放大器共模抑制比虽然只有40dB，但前面的两只运放可通过20dB的差模增益和0dB的共模增益将总共模抑制比提升至60dB。但0.1%的电阻价格只有0.01%的5%。而且差分放大器在不提供差分增益时，四只电阻相同，可以提高温度稳定性。

AD8672还有一个问题，零漂温度系数过大，0.5uV/C，相当于0.0013C。电池设备会在手中握持，温度升高几度很正常，无意中就会造成0.01C的偏差。虽然准确度不重要，但重复性很重要，尤其在高分辨率测量中非常重要。提高10倍分辨率，需要考虑的事情复杂100倍，并不是线性比例。

2. 基准的问题

如果需要扩展出四线电阻测量功能，电路仍为比例测量，基准的稳定性仍然不重要，低功耗的LM385仍然是好的选择。而且市场上DIP封装的385很难买到，但TO92封装量大价优。

如果想将这个小设备扩展出单独的电流源，不如直接单独做一个电流源。单独电流源与电阻测量的要求不同，也远不是增加一个晶体管那么简单，没有必要做这种功能集成。

3. 热电动势的问题

如果只是静态温度，会出现一个问题，20C和100C的测量误差不同。100C时温度梯度大得多，因此由热电动势造成的误差会增大，实质上由环境温度与待测温度之间的温差造成。

当然，热电动势的问题影响不大，也可以不考虑，只是在严格讨论中出现，原因在于100欧姆很大，激励电流也足够大。但如果扩展出4线电阻测量，在被测电阻很小时，例如1欧姆，热电动势会非常显著。

最好在卖之前改一次板，既然板上已经有错，不如再优化一次。

外壳我去找找，但需要一个基本尺寸。

tianda_spl

shichen717 发表于 2013-5-5 12:28
1. 仪用放大器的问题

AD8672的手册“Unity-Gain Follower Applications”中要求在1V以上阶跃输入时需 ...

先看看有多少人要再说吧，目测现在感兴趣的人比较少。而且通常“说的”人比“要的”人多一个量级。

如果有能够成套件的人数，我的意思是说可以平摊运费，我再考虑改动以下问题。

1,7805换成其他降低功耗的器件。
2，差分运放增加串联保护电阻。电流输出，我看了一下，我觉得不用，有一个电流端是输出，另外一个倍几K电阻拉到地。
3 基准考虑兼容一下TO92的器件。
4  把液晶错误的走线改过来。
5 增加几个测试点或者按键接口（但是没有按键，需要外接）

至于差分运放，感觉噪音都是比较大的那种。
我在e络盟找到TE的电阻，15ppm，0.1%，1.5元的价格，应该超过718了。

你提到，有一个电阻耗电6mA？我看了一下，没有啊？跟随器的输出接的500欧姆和10K，抽头接差分，10k接地，整体耗电0.25mA量级。
等再买个mini usb，测测耗电。

shichen717

tianda_spl 发表于 2013-5-5 14:04
先看看有多少人要再说吧，目测现在感兴趣的人比较少。而且通常“说的”人比“要的”人多一个量级。

如 ...

那个电阻就是R2，R2右端节点是虚地。
输出端也需要保护。
仍建议更改放大器。只有改得更合理才能有更多人想买。

tianda_spl

shichen717 发表于 2013-5-5 16:21
那个电阻就是R2，R2右端节点是虚地。
输出端也需要保护。
仍建议更改放大器。只有改得更合理才能有更多 ...

可能错觉了。
假设是0度，U3：A的输出是2.6V，U3:B是2.5V。U4的输入没有电流，认为开路。那么U4的引脚3的电压是2.6 * 10K/(10K+0.5K) = 2.476V。
U4的引脚2跟随这个电压，是2.476V外加很小的失调，R2两端电压差不到0.03V，电流很小。反而是R1的电流约0.26mA。

shichen717

tianda_spl 发表于 2013-5-5 16:47
可能错觉了。
假设是0度，U3：A的输出是2.6V，U3:B是2.5V。U4的输入没有电流，认为开路。那么U4的引 ...

确实如此，我搞错了。

zxmb

对套件感兴趣

shichen717

找到一种铝壳（多色），35元带底托，前后脸（黑色）为塑料，很好加工。
一种铁壳（灰色/白色），大致50元，前后脸（黑色/白色）为塑料，也很好加工。
一种塑料壳，手感相当好，像蜡一样，正经ABS塑料，大致20元，但换电池需要打开，与上述两种相同没有电池仓，其上面有可加工面积，还是很好加工。

huyx08

在江湖邀请您访问半导体技术天地
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firebird213

这个恒流源，好像没必要用到差分放大器吧，其实只需测VHI，因为VLO=VRef，VHI-VRef即PT二端的电压，这也是这个恒流源的恒流原理。