摘 要:針對空壓機(jī)專用變頻器系統(tǒng)中溫度檢測的要求，設(shè)計并實現(xiàn)了一種三線制Pt100溫度傳感器。利用Pt100鉑熱電阻的電阻-溫度函數(shù)關(guān)系，將溫度信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，經(jīng)過兩級放大電路對電壓信號進(jìn)行放大，再將電壓信號轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的電流信號輸出。在A/D溫度采集時，利用精密電流電壓轉(zhuǎn)換芯片，將電流信號轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的電壓信號。實踐證明，該傳感器有較高的穩(wěn)定性和靈活性，性能良好且容易實現(xiàn)，成本低，值得推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞:Pt100; 三線制; 傳感器; 電壓/電流轉(zhuǎn)換

中圖分類號:TP274文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)08-0197-03

Design and Realization of Temperature Transmitter Based on Pt100 Platinum Thermal Resistance

CHEN Zhi-wen， WANG Wei

(Xiamen University，Xiamen 361005，China)

Abstract:A three-wire Pt100 temperature sensor is designed and analysed aiming at temperature measurement of air compressor′s special inverter system. Using resistance and temperature function of Pt100 platinum thermal resistance， convertingthe temperature signal into a voltage signal， amplifying voltage signal through two-stage amplifier circuit and then converting the voltage signal into standard current signal output. In the A / D acquisition， using precise current and voltage conversion chips， convertingcurrent signal into standard voltage signal. The practice proves that the sensor has high stability and flexibility， is easy to achieve and has good performance， low cost.

Keywords:Pt100; three-wire; sensor; voltage and current conversion

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)研究中是一個非常重要的參數(shù)[1]。在工業(yè)控制過程中需要對控制對象進(jìn)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(hù)，并及時調(diào)整溫度的高低。根據(jù)控制系統(tǒng)設(shè)計要求的不同，溫度監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)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(fù)現(xiàn)性高和耐氧化等優(yōu)點，該系統(tǒng)采用Pt100鉑熱電阻作為溫度感測元件，進(jìn)行溫度傳感器的設(shè)計與實現(xiàn)[2-3]。在設(shè)計中，將電壓信號轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的4～20 mA電流信號，既省去昂貴的補(bǔ)償導(dǎo)線，又提高了信號長距離傳送過程中的抗干擾能力。

1 Pt100鉑熱電阻概述[2-5]

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)的實際應(yīng)用，本系統(tǒng)設(shè)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(guān)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(jù)已知的電阻-溫度關(guān)系[6]，可以計算出被測量的溫度值。

Pt100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(guān)系式為:

Rt = R0\\(1)

式中:R0為0 ℃下的電阻值，R0=100 Ω;T為攝氏溫度。因此，用鉑做成的電阻式溫度檢測器，又稱為Pt100溫度傳感器，即:

A=3.908 3×10 -3，B=-5.775×10 -7，

C= 0，t ≥ 0 ℃

-4.183×10-12，t < 0 ℃

顯然，電阻與溫度呈非線性關(guān)系，但當(dāng)測量精度要求較低時，電阻值與溫度的函數(shù)關(guān)系可以簡化為[6]:

Rt = R0(1+AT)(2)

實際應(yīng)用中，Pt100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Pt100串聯(lián)，增大了電阻，會影響測量;三線制連接時，對Pt100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，可以實現(xiàn)Kelvin檢測，消除了兩線連線的壓差。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

對Pt100溫度傳感器進(jìn)行了硬件設(shè)計，其整個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖1中，利用鉑熱電阻特性來檢測溫度，將溫度轉(zhuǎn)換成電壓信號;再通過V/I轉(zhuǎn)換單元，將電壓信號轉(zhuǎn)為4~20 mA的標(biāo)準(zhǔn)電流信號輸出， 這樣既省去昂貴的補(bǔ)償導(dǎo)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(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0～5 V電壓信號。經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，單片機(jī)系統(tǒng)把讀取到的數(shù)字信號進(jìn)行識別處理，并換算成與溫度對應(yīng)的數(shù)字信號，最后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(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

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SIPEX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(fù)載時，壓差為50 mV;100 mA負(fù)載時，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。LP2951可以通過引腳連接得到5 V電壓，使用內(nèi)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(5 V端)，獲得輸出、Sense、反饋、5 V端電壓。同樣，還可以通過1.235 V的參考源獲得其他輸出電壓[7]，最大30 V。

圖2 穩(wěn)定電源(5 V)

3.2 主電路分析

R7，R8，R4，RP1和Pt100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(yùn)放放大后，再經(jīng)過電壓/電流轉(zhuǎn)換電路，轉(zhuǎn)換為4～20 mA的標(biāo)準(zhǔn)電流信號輸出，因為A/D只能采集電壓信號，所以在信號進(jìn)行A/D采集前，再通過芯片RCV420將4~20 mA轉(zhuǎn)換為0~5 V電壓信號。電橋的一個橋臂采用可調(diào)電阻RP1，通過調(diào)節(jié)RP1，可以調(diào)整輸入到運(yùn)放的差分電壓信號大小，通常用于調(diào)整零點。放大電路采用LM258集成運(yùn)算放大器，為了防止單級放大倍數(shù)過高帶來的非線性誤差，放大電路采用兩級放大，其中可調(diào)電阻RP2用于調(diào)節(jié)放大電路的增益。溫度在0～+120 ℃變化，當(dāng)溫度上升時，Pt100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(yīng)地升高，輸出電流也相應(yīng)變大。實際選用的R8阻值比Pt100高很多，因此Pt100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。

圖3 Pt100主電路

3.3 電流電壓轉(zhuǎn)換電路

RCV420是美國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0～5 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，對于環(huán)路電流具有很好的變換能力[8]。

4 實驗測試與結(jié)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(shù)據(jù)分析，實驗斜率K1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)，實驗值等于理論值。該設(shè)計符合實際要求，如圖4所示。圖5給出實驗實物圖。

圖4 實驗數(shù)據(jù)

5 結(jié) 語

在溫度測量系統(tǒng)中，Pt100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(nèi)氣體溫度，還可以測量油缸內(nèi)油溫、土壤、液體、種子等內(nèi)的溫度，大大提高了溫度測量系統(tǒng)的適用范圍。 采用Pt100鉑熱電阻為溫度檢測元件， 可有效降低開發(fā)成本，擴(kuò)大應(yīng)用。該變送器的電路設(shè)計簡單方便，實用性好，電路工作穩(wěn)定、可靠性高。該產(chǎn)品已實際應(yīng)用于空壓機(jī)專用變頻器溫度測量系統(tǒng)中，而且工作穩(wěn)定可靠。

圖5 實驗實物圖

參考文獻(xiàn)

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[6]北京賽億凌科技有限公司. 鉑電阻溫度傳感器(pdf)\\. [ EB/OL]. \\. http: //www. bjsailing. com. cn.

[7]Sipex. LP2950/LP2951 Data Sheet[EB/OL]. \\. http: //www. sipex. com.

[8]Texas Instruments. RCV420 Data Sheet[EB/OL]. \\. http: //www. ti. com/cn/lit/gpn/rcv420.