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)。在工業(yè)控制過程中需要對控制對象進行溫度監(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，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PtlOO鉑熱電阻作為溫度感測元件，進行溫度傳感器的設(shè)計與實現(xiàn)。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，既省去昂貴的補償導(dǎo)線，又提高了信號長距離傳送過程中的抗干擾能力。
l Ptl00鉑熱電阻概述
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，可以計算出被測量的溫度值。Ptl00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：
式中：R0為O ℃下的電阻值，R0=10O 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Ptl00溫度傳感器，即：
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：
實際應(yīng)用中，Ptl00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Ptl00串聯(lián)，增大了電阻，會影響測量；三線制連接時，對Ptl00額外增加了第三條線，由于引線電阻具有相同特性，能夠?qū)€電阻進行補償；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PtlOO溫度傳感器進行了硬件設(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／l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；在單片機系統(tǒng)上再由電流電壓轉(zhuǎn)換芯片RCV420將4～20 mA轉(zhuǎn)換為O～5 V電壓信號。經(jīng)過A／D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，單片機系統(tǒng)把讀取到的數(shù)字信號進行識別處理，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S1PEX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。LP-2951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，最大30 V。
3．2 主電路分析
R7，R8，R4，RP1和Ptl00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，所以在信號進行A／D采集前，再通過芯片RCV420將4～20 mA轉(zhuǎn)換為O～5 V電壓信號。電橋的一個橋臂采用可調(diào)電阻RP1，通過調(diào)節(jié)RP1，可以調(diào)整輸入到運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RP2用于調(diào)節(jié)放大電路的增益。溫度在O～+120 ℃變化，當(dāng)溫度上升時，Ptl00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R8阻值比PtlOO高很多，因此Ptl00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。
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O～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(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。
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K1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。
5 結(jié)語
在溫度測量系統(tǒng)中，Ptl00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Ptl00鉑熱電阻為溫度檢測元件，可有效降低開發(fā)成本，擴大應(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)用于空壓機專用變頻器溫度測量系統(tǒng)中，而且工作穩(wěn)定可靠。