溫度測量系統中溫度取樣電路的設計

摘要：介紹了溫度測量系統中溫度取樣電路的設計方法，將溫度傳感器PT100安裝在直流電橋的橋臂中，通過計算橋臂之間兩點的電位差，數值經過由運算放大器構成的差分放大電路處理后，得到電壓與溫度對應的關系。

關鍵詞：溫度測量;PT100熱電偶;取樣電路

一. 方案設計

在溫度測量系統中設計思路一般是由“溫度采集”、“取樣放大”、“模數轉換”、“數據處理”、“輸出顯示”等環節構成。其中“取樣放大”環節非常重要，直接決定輸出的精度。“模數轉換”芯片都集成在數據處理芯片內部，輸入的端口電壓為0～3.3V，取樣電路設計時，溫度最高時對應的電壓不能超過3.3V。因此本次設計要求是測量溫度范圍是0～220℃，輸出電壓范圍是0～3.3V的溫度取樣電路。

采集溫度信號的傳感器種類很多，例如可編程數字傳感器DS18B20、PT100溫度傳感器、精密攝氏溫度傳感器LM35等。選擇何種傳感器，主要根據被測溫度的范圍、工作環境等因素有關。DS18B20、LM35這兩種溫度傳感器，測量范圍都無法滿足設計要求。而PT100溫度傳感器測量范圍-50～400℃，符合設計要求，因此選擇PT100溫度傳感器。取樣電路中，直流電橋中橋臂之間電位差作為差分放大電路的輸入信號，經過兩級放大處理，得到電壓與溫度的線性關系。

二.系統設計

1.電橋取樣環節

該電路采用直流12v供電，電容C1是電源濾波作用。電路正常工作時，由于電容“通交隔直”特性，C1對直流12V不起作用;當電源電壓出現波動時，C1吸收了電源中的諧波部分，保證為負載提供直流電的穩定性。電路中D1為精密基準電壓源TL431，輸入電壓可高達37V，本設計為12V，輸出2.5V。保證電橋電壓的穩定性，減小測量誤差。電橋中電阻的參數是根據PT100熱電偶溫度變化值所選擇。PT100的阻值與溫度變化關系為：查表可知，當溫度為0℃時PT100電阻體的阻值為100Ω，在100℃時阻值約為138.51Ω，在200℃時它的阻值約為175.86Ω，可以看出導體的電阻值隨溫度的增加而成正比這一關系來進行溫度測量的。V1=[2.5/（R2+RP）]×RP，V2=[2.5/（R3+R4）]×R4。當PT100測量溫度為0℃時，V1=V2。R4電阻取值與測量最低溫度時對應的電阻值有關，本次測量溫度范圍為0-220℃，0℃時PT100電阻體的阻值為100Ω，因此R4取值為100Ω。V2電位保持不變，V2=[2.5/（R3+R4）]×R4=[2.5/（1000+100）]×100=0.227V。當被測溫度為0℃時，PT100熱電偶的阻值RP=100Ω，V1=[2.5/（R2+RP）]×RP=[2.5/（1000+100）]×100=0.227V;當被測溫度為100℃時，PT100熱電偶的阻值RP=138.51Ω，V1=[2.5/（R2+RP）]×RP=[2.5/（1000+138.51）]×138.51=0.304V;當被測溫度為220℃時，PT100熱電偶的阻值RP=183.19Ω，V1=[2.5/（R2+RP）]×RP=[2.5/（1000+183.19）]×183.19=0.387V。從理論計算數值可以看出，被測溫度的范圍是0～220℃，V1電位的數值變化范圍是0.227V～0.387 V。

2.差分放大環節

主要是研究V3與V1、V2之間的關系，電路利用集成運算放大器LM358-U1A構成的減法運算電路實現。V+=[V1/（R5+R7）]R7，（V2-V-）/R6=（V- -V3）/R8，V3=[（1+R8/R6）V-]–[（R8/R6） V2]，由于V+=V-，得出V3=[（R6+R8）/R6][R7/（R5+R7）]V1-（R8/R6）V2=6.8（V1-V2）。通過計算可以看出差分放大環節中V3的數值是電橋中V1與V2兩點的電位差再放大6.8倍。由于電橋中V2點電位保持不變始終是0.227V，因此V3=6.8（V1-0.227）。被測溫度的范圍是0～220℃，V1電位的數值變化范圍是0.227V～0.387 V，V3電壓范圍是0～1.088V。

3.比例放大環節

比例放大電路利用集成運算放大器LM358-U1B構成的同相比例運算電路實現。可以得出：V-=[Uo/（R10+R11）]R11，推導出Uo=（1+R10/R11）V-，因為V+=V-，V+=V3，所以Uo=（1+R10/R11）V3=（1+20/10）V3=3×V3。當V3電壓范圍是0～1.088V時，Vo電壓的輸出范圍是0～3.264V。因此利用熱電偶PT100作為溫度采集信號，當被測物體溫度的變化范圍是0～220℃，電壓輸出信號變化的范圍是0～3.264V，滿足設計要求。

三.系統測試

1. 測試儀器：直流穩壓電源、0-300℃水銀溫度計、數字萬用表、恒溫電烙鐵;

2.測試方法：將電路中電源和地連接到直流穩壓電源12V輸出端，萬用表測量Vo電壓。將PT100熱電偶與水銀溫度計同時測量恒溫電烙鐵溫度，通過觀察水銀溫度計溫度的數值，記錄電壓表Vo的測量值。

四.總結

電路設計過程中，差分放大環節與比例放大環節兩部分可以合并為一體，采用集成運算放大器LM358-U1A構成的減法運算電路實現，只需改變電路中元件參數即可：將電路中R7、R8電阻的阻值由68KΩ更換為200KΩ，V3作為電壓輸出端，去掉LM358-U1B構成的同相比例運算電路。Vo=V3=[（R6+R8）/R6][R7/（R5+R7）]V1-（R8/R6）V2=20（V1-V2）=20（V1-0.227），被測溫度的范圍是0～220℃，V1電位的數值變化范圍是0.227V～0.387 V，Vo電壓范圍是0～3.2V。這種方案可以優化電路，元件少，同時也滿足設計要求，電路中集成運算放大器放大的倍數為20。在實際測量過程中發現，PT100熱電偶溫度每升高1℃，電阻值變化范圍很小，測量精度必須要高，因此在電路中采用了兩級放大，第一級放大6.8倍，第二級放大3倍，保證了數據的準確性。

參考文獻：

[1] 康華光，電子技術基礎模擬部分，高等教育出版社，2013.12

作者簡介： 陳龍（1980--），男，天津濱海職業學院， 講師，主要研究電子技術及應用。

本科，畢業于天津職業技術師范大學。

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