基于Ptl00铂热电阻的温度变送器设计与实现

    温度是表征物体冷热程度的物理量，在工业生产、生活应用和科学研究中是一个非常重要的参数。在工业控制过程中需要对控制对象进行温度监测，防止控制对象由于温度过高而损坏，因此温度的实时监测就显得更加重要。对温度的实时监测有利于对控制对象的及时检查、保护，并及时调整温度的高低。根据控制系统设计要求的不同，温度监测系统的设计也有所变化，有采用集成芯片的，也有采用恒流源器件和恒压源器件的。因铂热电阻具有测量范围大，稳定性好，示值复现性高和耐氧化等优点，该系统采用Pt100铂热电阻作为温度感测元件，进行温度传感器的设计与实现。在设计中，将电压信号转换为标准的4～20 mA电流信号，既省去昂贵的补偿导线，又提高了信号长距离传送过程中的抗干扰能力。

1 Ptl00铂热电阻概述

    电阻值随温度的变化程度称为温漂系数，大部分金属材料的温漂系数是正数，而且许多纯金属材料的温漂系数在一定温度范围内保持恒定，具体应用中选用哪一种金属材料(铂、铜、镍等)取决于被测温度的范围。金属铂(Pt)电阻的温度响应特性较好，成本较低，可测量温度较高；它在0 ℃的额定电阻值是100 Ω，是一种标准化器件。工作温度范围：-200～+850 ℃，考虑到工业的实际应用，本系统设计的测量范围为0～120℃。因为热敏电阻的阻值和温度呈正比关系，只需知道流过该电阻的电流就可以得到与温度成正比的输出电压。根据已知的电阻-温度关系，可以计算出被测量的温度值。Ptl00温度感测器是一种以铂(Pt)做成的电阻式温度检测器，其电阻和温度变化的关系式为：
   
式中：R0为O ℃下的电阻值，R0=10O Ω；T为摄氏温度。
    因此，用铂做成的电阻式温度检测器，又称为Ptl00温度传感器，即：
   
    显然，电阻与温度呈非线性关系，但当测量精度要求较低时，电阻值与温度的函数关系可以简化为：
   
    实际应用中，Ptl00的连接方式可以为两线制、三线制或四线制。该系统采用三线制接法即可满足要求。二线制连接时，由于引线电阻与Ptl00串联，增大了电阻，会影响测量；三线制连接时，对Ptl00额外增加了第三条线，由于引线电阻具有相同特性，能够对线电阻进行补偿；四线制连接时，可以实现Kelvin检测，消除了两线连线的压差。

2 系统结构与工作原理

    对PtlOO温度传感器进行了硬件设计。其整个数据采集系统结构框图如图1所示。

    图1中，利用铂热电阻特性来检测温度，将温度转换成电压信号；再通过V／l转换单元，将电压信号转为4～20 mA的标准电流信号输出，这样既省去昂贵的补偿导线，又提高了信号长距离传送过程中的抗干扰能力；在单片机系统上再由电流电压转换芯片RCV420将4～20 mA转换为O～5 V电压信号。经过A／D转换成数字信号，单片机系统把读取到的数字信号进行识别处理，并换算成与温度对应的数字信号，最后再由液晶显示器显示输出温度值。CPU主要完成对A／D采集到的数据进行处理，包括A／D值的滤波处理和A／D值向实际温度转换，最后送给显示器显示。

3 硬件设计

    硬件组成主要由稳定电源电路、运算放大电路、电压电流转换电路、电流电压转换电路四个部分组成。

3．1 稳定电源电路

    稳定电源电路如图2所示。LP2951是S1PEX公司推出的低功耗电压调节器，非常适用于一些电池供电系统，如无绳电话、无线控制系统及便携式电脑。具有低静态电流、低压差等特性(轻微负载时，压差为50 mV；100 mA负载时，压差为380 mV)。LP2951具有很小的初始容限(一般0．5％)，非常良好的负载及线路调节特性(一般0．05％)，并具有非常低的温度系数(20 ppm／℃)，因此非常适合用作低功耗电压源。LP-2951可以通过引脚连接得到5 V电压，使用内部分压器通过引脚1(输出)及引脚2(Sense)及引脚7(反馈)到引脚6(5 V端)，获得输出、Sense、反馈、5 V端电压。同样，还可以通过1．235 V的参考源获得其他输出电压，最大30 V。

 

3．2 主电路分析

    R7，R8，R4，RP1和Ptl00组成传感器测量电桥，为了保证电桥输出电压信号的稳定性，电桥的输入电压由LP2951电源芯片来提供。从电桥获取的差分电压信号通过两级运放放大后，再经过电压／电流转换电路，转换为4～20 mA的标准电流信号输出，因为A／D只能采集电压信号，所以在信号进行A／D采集前，再通过芯片RCV420将4～20 mA转换为O～5 V电压信号。电桥的一个桥臂采用可调电阻RP1，通过调节RP1，可以调整输入到运放的差分电压信号大小，通常用于调整零点。放大电路采用LM258集成运算放大器，为了防止单级放大倍数过高带来的非线性误差，放大电路采用两级放大，其中可调电阻RP2用于调节放大电路的增益。温度在O～+120 ℃变化，当温度上升时，Ptl00阻值变大，输入放大电路的差分信号变大，放大电路的输出电压对应地升高，输出电流也相应变大。实际选用的R8阻值比PtlOO高很多，因此Ptl00阻值变化引起的测量电流变化不大，获得近似恒流法的线性输出。

3．3 电流电压转换电路

    RCV420是美国B-B公司生产的一种精密电流电压变换器，它能将4～20 mA的环路电流变换成O～5 V的电压输出。作为一种单片集成电路具有可靠的性能和很低的成本，除具有精密运放和电阻网络外，还集成有10 V基准电压源。在不需要外调整的情况下，可以获得86 dB的共模抑制比和40 V的共模电压输入，在全量程范围内，输入阻抗仅有1．5 V的压降，对于环路电流具有很好的变换能力。

4 实验测试与结论

    由于万用表、温度测试仪等测量工具存在误差，很明显，从上面的实验数据分析，实验斜率K1近似等于理论斜率，即在工业误差(-0．5～+0．5 ℃)允许范围内，实验值等于理论值。该设计符合实际要求，如图4所示。图5给出实验实物图。

 

5 结语

    在温度测量系统中，Ptl00铂热电阻被密封在金属棒中，这样使得本温度测量系统不但可以测量室内气体温度，还可以测量油缸内油温、土壤、液体、种子等内的温度，大大提高了温度测量系统的适用范围。采用Ptl00铂热电阻为温度检测元件，可有效降低开发成本，扩大应用。该变送器的电路设计简单方便，实用性好，电路工作稳定、可靠性高。该产品已实际应用于空压机专用变频器温度测量系统中，而且工作稳定可靠。