基于Ptl00鉑熱電阻的溫度變送器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

??? 溫度是表征物體冷熱程度的物理量，在工業(yè)生產(chǎn)、生活應(yīng)用和科學(xué)研究中是一個(gè)非常重要的參數(shù)。在工業(yè)控制過(guò)程中需要對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)，防止控制對(duì)象由于溫度過(guò)高而損壞，因此溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)就顯得更加重要。對(duì)溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)有利于對(duì)控制對(duì)象的及時(shí)檢查、保護(hù)，并及時(shí)調(diào)整溫度的高低。根據(jù)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的不同，溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也有所變化，有采用集成芯片的，也有采用恒流源器件和恒壓源器件的。因鉑熱電阻具有測(cè)量范圍大，穩(wěn)定性好，示值復(fù)現(xiàn)性高和耐氧化等優(yōu)點(diǎn)，該系統(tǒng)采用Pt100鉑熱電阻作為溫度感測(cè)元件，進(jìn)行溫度傳感器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。在設(shè)計(jì)中，將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的4～20 mA電流信號(hào)，既省去昂貴的補(bǔ)償導(dǎo)線，又提高了信號(hào)長(zhǎng)距離傳送過(guò)程中的抗干擾能力。

1?Ptl00鉑熱電阻概述

??? 電阻值隨溫度的變化程度稱為溫漂系數(shù)，大部分金屬材料的溫漂系數(shù)是正數(shù)，而且許多純金屬材料的溫漂系數(shù)在一定溫度范圍內(nèi)保持恒定，具體應(yīng)用中選用哪一種金屬材料(鉑、銅、鎳等)取決于被測(cè)溫度的范圍。金屬鉑(Pt)電阻的溫度響應(yīng)特性較好，成本較低，可測(cè)量溫度較高；它在0 ℃的額定電阻值是100 Ω，是一種標(biāo)準(zhǔn)化器件。工作溫度范圍：-200～+850 ℃，考慮到工業(yè)的實(shí)際應(yīng)用，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的測(cè)量范圍為0～120℃。因?yàn)闊崦綦娮璧淖柚岛蜏囟瘸收汝P(guān)系，只需知道流過(guò)該電阻的電流就可以得到與溫度成正比的輸出電壓。根據(jù)已知的電阻-溫度關(guān)系，可以計(jì)算出被測(cè)量的溫度值。Ptl00溫度感測(cè)器是一種以鉑(Pt)做成的電阻式溫度檢測(cè)器，其電阻和溫度變化的關(guān)系式為：
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式中：R0為O ℃下的電阻值，R0=10O Ω；T為攝氏溫度。
??? 因此，用鉑做成的電阻式溫度檢測(cè)器，又稱為Ptl00溫度傳感器，即：
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??? 顯然，電阻與溫度呈非線性關(guān)系，但當(dāng)測(cè)量精度要求較低時(shí)，電阻值與溫度的函數(shù)關(guān)系可以簡(jiǎn)化為：
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??? 實(shí)際應(yīng)用中，Ptl00的連接方式可以為兩線制、三線制或四線制。該系統(tǒng)采用三線制接法即可滿足要求。二線制連接時(shí)，由于引線電阻與Ptl00串聯(lián)，增大了電阻，會(huì)影響測(cè)量；三線制連接時(shí)，對(duì)Ptl00額外增加了第三條線，由于引線電阻具有相同特性，能夠?qū)€電阻進(jìn)行補(bǔ)償；四線制連接時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)Kelvin檢測(cè)，消除了兩線連線的壓差。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

??? 對(duì)PtlOO溫度傳感器進(jìn)行了硬件設(shè)計(jì)。其整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

??? 圖1中，利用鉑熱電阻特性來(lái)檢測(cè)溫度，將溫度轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)；再通過(guò)V／l轉(zhuǎn)換單元，將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)為4～20 mA的標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)輸出，這樣既省去昂貴的補(bǔ)償導(dǎo)線，又提高了信號(hào)長(zhǎng)距離傳送過(guò)程中的抗干擾能力；在單片機(jī)系統(tǒng)上再由電流電壓轉(zhuǎn)換芯片RCV420將4～20 mA轉(zhuǎn)換為O～5 V電壓信號(hào)。經(jīng)過(guò)A／D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，單片機(jī)系統(tǒng)把讀取到的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行識(shí)別處理，并換算成與溫度對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，最后再由液晶顯示器顯示輸出溫度值。CPU主要完成對(duì)A／D采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，包括A／D值的濾波處理和A／D值向?qū)嶋H溫度轉(zhuǎn)換，最后送給顯示器顯示。

3 硬件設(shè)計(jì)

??? 硬件組成主要由穩(wěn)定電源電路、運(yùn)算放大電路、電壓電流轉(zhuǎn)換電路、電流電壓轉(zhuǎn)換電路四個(gè)部分組成。

3．1 穩(wěn)定電源電路

??? 穩(wěn)定電源電路如圖2所示。LP2951是S1PEX公司推出的低功耗電壓調(diào)節(jié)器，非常適用于一些電池供電系統(tǒng)，如無(wú)繩電話、無(wú)線控制系統(tǒng)及便攜式電腦。具有低靜態(tài)電流、低壓差等特性(輕微負(fù)載時(shí)，壓差為50 mV；100 mA負(fù)載時(shí)，壓差為380 mV)。LP2951具有很小的初始容限(一般0．5％)，非常良好的負(fù)載及線路調(diào)節(jié)特性(一般0．05％)，并具有非常低的溫度系數(shù)(20 ppm／℃)，因此非常適合用作低功耗電壓源。LP-2951可以通過(guò)引腳連接得到5 V電壓，使用內(nèi)部分壓器通過(guò)引腳1(輸出)及引腳2(Sense)及引腳7(反饋)到引腳6(5 V端)，獲得輸出、Sense、反饋、5 V端電壓。同樣，還可以通過(guò)1．235 V的參考源獲得其他輸出電壓，最大30 V。

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3．2 主電路分析

??? R7，R8，R4，RP1和Ptl00組成傳感器測(cè)量電橋，為了保證電橋輸出電壓信號(hào)的穩(wěn)定性，電橋的輸入電壓由LP2951電源芯片來(lái)提供。從電橋獲取的差分電壓信號(hào)通過(guò)兩級(jí)運(yùn)放放大后，再經(jīng)過(guò)電壓／電流轉(zhuǎn)換電路，轉(zhuǎn)換為4～20 mA的標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)輸出，因?yàn)锳／D只能采集電壓信號(hào)，所以在信號(hào)進(jìn)行A／D采集前，再通過(guò)芯片RCV420將4～20 mA轉(zhuǎn)換為O～5 V電壓信號(hào)。電橋的一個(gè)橋臂采用可調(diào)電阻RP1，通過(guò)調(diào)節(jié)RP1，可以調(diào)整輸入到運(yùn)放的差分電壓信號(hào)大小，通常用于調(diào)整零點(diǎn)。放大電路采用LM258集成運(yùn)算放大器，為了防止單級(jí)放大倍數(shù)過(guò)高帶來(lái)的非線性誤差，放大電路采用兩級(jí)放大，其中可調(diào)電阻RP2用于調(diào)節(jié)放大電路的增益。溫度在O～+120 ℃變化，當(dāng)溫度上升時(shí)，Ptl00阻值變大，輸入放大電路的差分信號(hào)變大，放大電路的輸出電壓對(duì)應(yīng)地升高，輸出電流也相應(yīng)變大。實(shí)際選用的R8阻值比PtlOO高很多，因此Ptl00阻值變化引起的測(cè)量電流變化不大，獲得近似恒流法的線性輸出。

3．3 電流電壓轉(zhuǎn)換電路

??? RCV420是美國(guó)B-B公司生產(chǎn)的一種精密電流電壓變換器，它能將4～20 mA的環(huán)路電流變換成O～5 V的電壓輸出。作為一種單片集成電路具有可靠的性能和很低的成本，除具有精密運(yùn)放和電阻網(wǎng)絡(luò)外，還集成有10 V基準(zhǔn)電壓源。在不需要外調(diào)整的情況下，可以獲得86 dB的共模抑制比和40 V的共模電壓輸入，在全量程范圍內(nèi)，輸入阻抗僅有1．5 V的壓降，對(duì)于環(huán)路電流具有很好的變換能力。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與結(jié)論

??? 由于萬(wàn)用表、溫度測(cè)試儀等測(cè)量工具存在誤差，很明顯，從上面的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，實(shí)驗(yàn)斜率K1近似等于理論斜率，即在工業(yè)誤差(-0．5～+0．5 ℃)允許范圍內(nèi)，實(shí)驗(yàn)值等于理論值。該設(shè)計(jì)符合實(shí)際要求，如圖4所示。圖5給出實(shí)驗(yàn)實(shí)物圖。

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5 結(jié)語(yǔ)

??? 在溫度測(cè)量系統(tǒng)中，Ptl00鉑熱電阻被密封在金屬棒中，這樣使得本溫度測(cè)量系統(tǒng)不但可以測(cè)量室內(nèi)氣體溫度，還可以測(cè)量油缸內(nèi)油溫、土壤、液體、種子等內(nèi)的溫度，大大提高了溫度測(cè)量系統(tǒng)的適用范圍。采用Ptl00鉑熱電阻為溫度檢測(cè)元件，可有效降低開(kāi)發(fā)成本，擴(kuò)大應(yīng)用。該變送器的電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單方便，實(shí)用性好，電路工作穩(wěn)定、可靠性高。該產(chǎn)品已實(shí)際應(yīng)用于空壓機(jī)專用變頻器溫度測(cè)量系統(tǒng)中，而且工作穩(wěn)定可靠。