基于Pt100鉑熱電阻的溫度變送器設計與實現

摘 要:針對空壓機專用變頻器系統中溫度檢測的要求，設計并實現了一種三線制Pt100溫度傳感器。利用Pt100鉑熱電阻的電阻-溫度函數關系，將溫度信號轉換為電壓信號，經過兩級放大電路對電壓信號進行放大，再將電壓信號轉換為標準的電流信號輸出。在A/D溫度采集時，利用精密電流電壓轉換芯片，將電流信號轉換為標準的電壓信號。實踐證明，該傳感器有較高的穩定性和靈活性，性能良好且容易實現，成本低，值得推廣應用。

關鍵詞:Pt100; 三線制; 傳感器; 電壓/電流轉換

中圖分類號:TP274文獻標識碼: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， 在工業生產、生活應用和科學研究中是一個非常重要的參數[1]。在工業控制過程中需要對控制對象進行溫度監測，防止控制對象由于溫度過高而損壞，因此溫度的實時監測就顯得更加重要。對溫度的實時監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。根據控制系統設計要求的不同，溫度監測系統的設計也有所變化，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，穩定性好，示值復現性高和耐氧化等優點，該系統采用Pt100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[2-3]。在設計中，將電壓信號轉換為標準的4～20 mA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。

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，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100 Ω，是一種標準化器件。工作溫度范圍:-200～+850 ℃，考慮到工業的實際應用，本系統設計的測量范圍為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[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[6]:

Rt = R0(1+AT)(2)

實際應用中，Pt100的連接方式可以為兩線制、三線制或四線制。該系統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，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 系統結構與工作原理

對Pt100溫度傳感器進行了硬件設計，其整個數據采集系統結構框圖如圖1所示。

圖1 系統結構框圖

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/I轉換單元，將電壓信號轉為4~20 mA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;在單片機系統上再由電流電壓轉換芯片RCV420將4～20 mA轉換為0～5 V電壓信號。經過A/D轉換成數字信號，單片機系統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，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，最后送給顯示器顯示。

3 硬件設計

硬件組成主要由穩定電源電路、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 穩定電源電路

穩定電源電路如圖2所示。LP2951是SIPEX公司推出的低功耗電壓調節器，非常適用于一些電池供電系統，如無繩電話、無線控制系統及便攜式電腦。具有低靜態電流、低壓差等特性(輕微負載時，壓差為50 mV;100 mA負載時，壓差為380 mV)。LP2951具有很小的初始容限(一般0.5%)，非常良好的負載及線路調節特性(一般0.05%)，并具有非常低的溫度系數(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4～20 mA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4~20 mA轉換為0~5 V電壓信號。電橋的一個橋臂采用可調電阻RP1，通過調節RP1，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RP2用于調節放大電路的增益。溫度在0～+120 ℃變化，當溫度上升時，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地升高，輸出電流也相應變大。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4～20 mA的環路電流變換成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，除具有精密運放和電阻網絡外，還集成有10 V基準電壓源。在不需要外調整的情況下，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，輸入阻抗僅有1.5 V的壓降，對于環路電流具有很好的變換能力[8]。

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K1近似等于理論斜率，即在工業誤差(-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。

圖4 實驗數據

5 結 語

在溫度測量系統中，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中，而且工作穩定可靠。

圖5 實驗實物圖

參考文獻

[1]何希才， 任力穎， 楊靜. 實用傳感器接口電路實例[M]. 北京: 中國電力出版社， 2007.

[2]林國漢， 王迎旭. 基于單片機的溫度遠程控制系統設計[J]. 微計算機信息， 2009， 25(20): 76-77.

[3]陳德龍，秦會斌.基于Pt100的電子溫度表設計[J]. 杭州電子科技大學學報，2005， 25(4): 42-45.

[4]才智，范長勝，楊冬霞. Pt100鉑熱電阻溫度測量系統的設計[J]. 現代電子技術，2008， 31(20): 172-174.

[5]李蕓婷，萬振凱. Pt100溫度傳感器數據實時采集系統[J]. 儀器儀表用戶， 2007， 14(5): 24-26.

[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.