控温精度为0.1℃的恒温槽控温电路

　　笔者在研究某医疗检测仪器时,针对该仪器对恒温槽的控温精度为±0.2℃的要求,专门研制了一个高精度测温和控温电路。实测控温精度达到了±0.1℃,很好地满足了需要。

　　1　高精度温度检测电路设计

　　本电路采用测温精度较高的Pt100作为温度检测元件。根据IEC-751标准,Pt100的电阻值与温度的关系可以表示为Rt=R0(1+at+bt²),式中,a=3.9685×10^-3/℃,b=-5.847×10^-7/(℃)²。因为式中的二次项bt²系数为负,当温度升高时RTD电阻值的增加略有下垂,呈现出非线性关系,必须进行非线性补偿。Pt100的非线性补偿电路(图1)由运放A1、电阻R1、R2、R3、R4组成。这是温度检测变换电路的第一级,也是进行非线性校正和决定检测精度的关键一级。其中,R1和R2组成了负反馈回路,R3和R4组成了正反馈回路;Rt为Pt100,Ut是经Pt100温度检测变换后经过非线性校正的电压输出。为了维持电路的平衡,运放A1的正、负反馈回路皆会产生电流,US为电路的正反馈回路提供拉电流,而负反馈回路产生对地的灌电流,因此该电路又称为电流泵电路。如果电路中没有R3,该电路仅为一个同相放大器;R3接入正反馈回路,将引入部分正反馈,此时U0的输出将比原仅进行同相放大时的输出增加一个ΔU。当温度升高时,Rt增加,电路的正反馈随之增加,U0输出增加一个ΔU,流过Rt的电流也会增加,由于正反馈引起Ut的输出增加了ΔUt,补偿和校正了由于Rt的增加呈非线性下垂而产生的Ut非线性。选取合适的电阻值,可以将Pt100的非线性误差降低到0.5%(0~500℃)。由于恒温槽皆为定温控制,在控温点再进行精心地电路调整和测量校正,可以使温度检测达到很高的精度。

　　2　利用运放完成的PID调节器

　　考虑到恒温槽检测元件和加热点之间存在一定的距离,会产生一定的滞后。控制电路采用PID调节进行控制。利用两个运放即可完成PID控制(图2)。A1为比例控制电路,其输入Ui为设定温度和测量温度之差的电压值,它的传递函数为

　　K_P即比例系数。电阻R₂,RPD和电容C₁组成微分电路。为了降低微分电路对高频干扰的敏感程度,在C₁两端并联了电阻,因此是一个近似微分环节。用算子阻抗法计算其传递函数,得:

　　式中,T_D—微分电路的时间常数,T_D=C1(R₂+R_PD);

　　K_D—微分电路的增益

　　调电位器R_PD,可以改变K_D和T_D。当R_PD增大时,微分增益减少,微分时间常数增大。

　　由A2、R4、C2和R_PI组成了积分控制电路,设R_PI下半部分的电阻值为R_PI2,其抽头对地的电压为U_C,根据运放“虚短”的原理,U_b≈Uc,则有: