◆李玉娜

基于PT100鉑熱電阻溫度傳感器設(shè)計*

◆李玉娜

PT100鉑熱電阻是常見的溫度測量工具，其阻值會隨溫度的變化而改變，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)過程溫度參數(shù)的測量和控制。設(shè)計基于PT100鉑熱電阻的溫度傳感器，根據(jù)周圍溫度的變化改變鉑熱電阻大小，通過電路輸出對應(yīng)的電壓信號，加入預(yù)設(shè)值比較電路，可以將當(dāng)前溫度是否超出范圍進(jìn)行報警。

PT100鉑熱電阻；電橋；NE5532芯片；放大電路；比較電路

10.3969/j.issn.1671-489X.2016.16.033

1　引言

溫度傳感器被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究等領(lǐng)域［1］，為提高生產(chǎn)效率，對溫度參數(shù)測量的快速性和準(zhǔn)確性提出更高的要求。本文設(shè)計基于PT100鉑熱電阻的溫度傳感器，具有精度高、線性好、響應(yīng)時間短等特點。

2　電路設(shè)計

基于PT100鉑熱電阻溫度傳感器由兩部分組成：PT100鉑熱電阻傳感器和信號轉(zhuǎn)換器。通過PT100鉑熱電阻測量溫度，經(jīng)過NE5532芯片和多個元器件的組合來達(dá)到信號轉(zhuǎn)換、放大輸出一個模擬電壓信號；后面再入加比較電路，對當(dāng)前值與設(shè)定值進(jìn)行比較，超出時進(jìn)行報警。設(shè)計框圖如圖1所示。

圖1　基于PT100鉑熱電阻溫度傳感器設(shè)計框圖

圖2　PT100鉑電阻RT曲線圖

與普通型熱電阻相比，PT100鉑熱電阻的特點包括：熱慣性上測量滯后??；機械性能好、耐振，能彎曲，便于安裝；使用壽命長。因此，PT100鉑熱電阻是研究中比較理想的測溫電子元件。

PT100鉑電阻RT曲線圖如圖2所示。當(dāng)在0 ℃的時候，PT100的阻值為100 Ω，它的阻值會隨著溫度的上升而勻速增長，在100 ℃時，它的阻值約為138.5 Ω。它的阻值跟溫度的變化成正比，但不是簡單的正比的關(guān)系，而更應(yīng)該趨近于一條拋物線［2］。

NE5532是高性能低噪聲雙運算放大器（雙運放）集成電路。與很多標(biāo)準(zhǔn)運放相似，但它具有更好的噪聲性能，優(yōu)良的輸出驅(qū)動能力及相當(dāng)高的小信號帶寬，電源電壓范圍大等特點。本文中將用它來構(gòu)成電橋電路、放大電路和比較電路。運用NE5532芯片的PT100鉑熱電阻溫度傳感器電路圖如3所示。

在圖3所示電路中，電橋電路由R2、R3、R9和PT100電阻組成。為了防止電路電流過大而導(dǎo)致PT100損壞，為保護(hù)電路，R2=R3=13 KΩ。因為PT100的最小電阻值為100 Ω（即0 ℃下的電阻值），為了使A、B兩點的電壓差小，根據(jù)鉑熱電阻的分度表，取R=96.09 Ω或者92.16 Ω才是合適的，然而現(xiàn)實中最接近的只有R=91 Ω的電阻，所以取R9=91 Ω，這樣有利于減小誤差。由圖可得到A、B兩點電壓及電橋輸出（A、B兩點電壓差）分別為：

其中UA的值隨工作環(huán)境溫度的變化而變化。UA、UB為后面放大電路的輸入電壓。利用由R1、R5、R7、R10和NE5532芯片組成求差放大電路，該基本減法電路的輸出電壓為：

其放大倍數(shù)為：

圖3　PT100鉑熱電阻溫度傳感器電路圖

輸出C點后面加入電壓比較電路，由R4、R11和NE5532芯片組成。比較NE5532運放輸入端5腳和6腳間的電壓大小，當(dāng)UC＞UD時，即測量溫度大于設(shè)定溫度時，輸出電壓UE為12 V，此時LED燈亮，進(jìn)行報警。這里可調(diào)電阻R4的作用是設(shè)置電壓預(yù)值，通過改變R4就可以改變D點電壓進(jìn)行電壓預(yù)設(shè)；R6起的是限流和隔離作用，使左右兩邊的電路不受干擾；C1起的是濾波作用。

3　測試結(jié)果

根據(jù)設(shè)計焊接完成的電路，測量溫度30～100 ℃對應(yīng)的電阻值的數(shù)據(jù)記錄如表1所示。

通過GRAPH軟件，根據(jù)實測值及利用PT100標(biāo)準(zhǔn)分度表制作的函數(shù)圖如圖4所示。其中，紅色線為實際的測量數(shù)據(jù)，藍(lán)色為標(biāo)準(zhǔn)分度表，兩者比較符合（說明：上方為紅色線，下方為黑色線）。

在此采用分度表上的數(shù)據(jù)進(jìn)行公式計算，得出：

結(jié)合式3、4得出通過電路放大后，輸出電壓UC與溫度間的關(guān)系式為：

表1　測量數(shù)據(jù)

這里輸入電源電壓VCC=5 V，K=100，R2=R3=13 000 Ω，R9=91 Ω，則式6為：

圖4　通過GRAPH軟件制作的函數(shù)圖

4　結(jié)語

基于PT100鉑熱電阻的溫度傳感器結(jié)構(gòu)簡單，成本低，性能穩(wěn)定，是比較理想的溫度數(shù)據(jù)采集器。工業(yè)生產(chǎn)過程中結(jié)合工控機可達(dá)到溫度采集、加熱冷卻等控制功能。

［1］朱杰.基于A類鉑電阻的彈體溫度采集系統(tǒng)研究［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2013（9）.

［2］pt100熱電阻［EB/OL］.http：//baike.so.com/doc/6742815-6957342.html.

［3］才智，等.PT100鉑熱電阻溫度測量系統(tǒng)的設(shè)計［J］.虛擬儀器與應(yīng)用，2008（20）.

Design of Temperature Sensor based on Thermal Resistor of PT100

//LI Yuna

Thermal resistor of PT100 is a common temperature measuring tool. Its resistance value is temperature-dependant. Thus it is widely used in the measurement and control of temperature parameter in industrial processes. This essay is on the design of temperature sensor based on the thermal resistor of PT100， changing its resistance value according to temperature change of surrounding environment and outputting the corresponding voltage through electric circuits. In the design added a preset comparison circuit which can give an alarm when the temperature is out of range.

thermal resistor of PT100； bridge； NE5532 chip； comparison circuit； amplifying circuit

G712

B

1671-489X（2016）16-0033-03

*廣州市教育局《廣州塔電子創(chuàng)意制作》青少年科技項目（2016-280）。

作者：李玉娜，廣東技術(shù)師范學(xué)院實驗師，研究方向為自動化、電氣工程（510635）。