精品文檔-下載后可編輯基于Ptl00鉑熱電阻的溫度變送器設計與實現-基礎電子溫度是表征物體冷熱程度的物理量，在工業(yè)生產、生活應用和科學研究中是一個非常重要的參數。在工業(yè)控制過程中需要對控制對象進行溫度監(jiān)測，防止控制對象由于溫度過高而損壞，因此溫度的實時監(jiān)測就顯得更加重要。對溫度的實時監(jiān)測有利于對控制對象的及時檢查、保護，并及時調整溫度的高低。根據控制系統(tǒng)設計要求的不同，溫度監(jiān)測系統(tǒng)的設計也有所變化，有采用集成芯片的，也有采用恒流源器件和恒壓源器件的。因鉑熱電阻具有測量范圍大，穩(wěn)定性好，示值復現性高和耐氧化等優(yōu)點，該系統(tǒng)采用PtlOO鉑熱電阻作為溫度感測元件，進行溫度傳感器的設計與實現。在設計中，將電壓信號轉換為標準的4～20mA電流信號，既省去昂貴的補償導線，又提高了信號長距離傳送過程中的抗干擾能力。

lPtl00鉑熱電阻概述

電阻值隨溫度的變化程度稱為溫漂系數，大部分金屬材料的溫漂系數是正數，而且許多純金屬材料的溫漂系數在一定溫度范圍內保持恒定，具體應用中選用哪一種金屬材料(鉑、銅、鎳等)取決于被測溫度的范圍。金屬鉑(Pt)電阻的溫度響應特性較好，成本較低，可測量溫度較高；它在0℃的額定電阻值是100Ω，是一種標準化器件。工作溫度范圍：-200～+850℃，考慮到工業(yè)的實際應用，本系統(tǒng)設計的測量范圍為0～120℃。因為熱敏電阻的阻值和溫度呈正比關系，只需知道流過該電阻的電流就可以得到與溫度成正比的輸出電壓。根據已知的電阻-溫度關系，可以計算出被測量的溫度值。Ptl00溫度感測器是一種以鉑(Pt)做成的電阻式溫度檢測器，其電阻和溫度變化的關系式為：

式中：R0為O℃下的電阻值，R0=10OΩ；T為攝氏溫度。

因此，用鉑做成的電阻式溫度檢測器，又稱為Ptl00溫度傳感器，即：

顯然，電阻與溫度呈非線性關系，但當測量精度要求較低時，電阻值與溫度的函數關系可以簡化為：

實際應用中，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，由于引線電阻與Ptl00串聯，增大了電阻，會影響測量；三線制連接時，對Ptl00額外增加了第三條線，由于引線電阻具有相同特性，能夠對線電阻進行補償；四線制連接時，可以實現Kelvin檢測，消除了兩線連線的壓差。

2系統(tǒng)結構與工作原理

對PtlOO溫度傳感器進行了硬件設計。其整個數據采集系統(tǒng)結構框圖如圖1所示。

圖1中，利用鉑熱電阻特性來檢測溫度，將溫度轉換成電壓信號；再通過V／l轉換單元，將電壓信號轉為4～20mA的標準電流信號輸出，這樣既省去昂貴的補償導線，又提高了信號長距離傳送過程中的抗干擾能力；在單片機系統(tǒng)上再由電流電壓轉換芯片RCV420將4～20mA轉換為O～5V電壓信號。經過A／D轉換成數字信號，單片機系統(tǒng)把讀取到的數字信號進行識別處理，并換算成與溫度對應的數字信號，再由液晶顯示器顯示輸出溫度值。CPU主要完成對A／D采集到的數據進行處理，包括A／D值的濾波處理和A／D值向實際溫度轉換，送給顯示器顯示。

3硬件設計

硬件組成主要由穩(wěn)定電源電路、運算放大電路、電壓電流轉換電路、電流電壓轉換電路四個部分組成。

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

3．2主電路分析

R7，R8，R4，RP1和Ptl00組成傳感器測量電橋，為了保證電橋輸出電壓信號的穩(wěn)定性，電橋的輸入電壓由LP2951電源芯片來提供。從電橋獲取的差分電壓信號通過兩級運放放大后，再經過電壓／電流轉換電路，轉換為4～20mA的標準電流信號輸出，因為A／D只能采集電壓信號，所以在信號進行A／D采集前，再通過芯片RCV420將4～20mA轉換為O～5V電壓信號。電橋的一個橋臂采用可調電阻RP1，通過調節(jié)RP1，可以調整輸入到運放的差分電壓信號大小，通常用于調整零點。放大電路采用LM258集成運算放大器，為了防止單級放大倍數過高帶來的非線性誤差，放大電路采用兩級放大，其中可調電阻RP2用于調節(jié)放大電路的增益。溫度在O～+120℃變化，當溫度上升時，Ptl00阻值變大，輸入放大電路的差分信號變大，放大電路的輸出電壓對應地升高，輸出電流也相應變大。實際選用的R8阻值比PtlOO高很多，因此Ptl00阻值變化引起的測量電流變化不大，獲得近似恒流法的線性輸出。

3．3電流電壓轉換電路

RCV420是美國B-B公司生產的一種精密電流電壓變換器，它能將4～20mA的環(huán)路電流變換成O～5V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，除具有精密運放和電阻網絡外，還集成有10V基準電壓源。在不需要外調整的情況下，可以獲得86dB的共模抑制比和40V的共模電壓輸入，在全量程范圍內，輸入阻抗僅有1．5V的壓降，對于環(huán)路電流具有很好的變換能力。

4實驗測試與結論

由于萬用表、溫度測試儀等測量工具存在誤差，很明顯，從上面的實驗數據分析，實驗斜率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，實驗值等于理論值。該設計符合實際要求，如圖4所示。圖5給出實驗實物圖。

5結語

在溫度測量系統(tǒng)中，Ptl00鉑熱電阻被密封在金屬棒中，這樣使得本溫度測量系統(tǒng)不但可以測量室內氣體溫度，還可以測量油缸內油溫、土壤、液體、種子等內的溫度，大大提高了溫度測量系統(tǒng)的適用范圍。采用Ptl00鉑熱電阻為溫度檢測元件，可有效降低開發(fā)成本，擴大應用。該變送器的電路設計簡單方便，實用性好，電路工作穩(wěn)定、可靠性高。該產品已實際應用于空壓機專用變頻器溫度測量系統(tǒng)中，而且工作穩(wěn)定可靠。(現代電子技術作者：陳志文王瑋)

參考文獻: