Pt100铂热电阻的温度变送器设计与实现
摘要:针对空压机专用变频器系统中温度检测的要求,设计并实现了一种三线制Pt100温度传感器。
利用Pt100铂热
电阻的电阻-温度函数关系,将温度信号转换为电压信号,经过两级放大电路对电压信号进行放大,再将电压信号转换为标准
的电流信号输出。
在A/D温度采集时,利用精密电流电压转换芯片,将电流信号转换为标准的电压信号。
实践证明,该传感
器有较高的稳定性和灵活性,性能良好且容易实现,成本低,值得推广应用。
关键词:Pt100;三线制;传感器;电压/电流转换
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[1]。
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[2-3]。
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。
1Pt100铂热电阻概述[2-5]
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100Ω,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[6],可以计算出被测量的温度值。
Pt100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:
Rt= R0[1+A T+BT2+C(t-100)T3] (1)
式中:R0为0℃下的电阻值,R0=100Ω;T为摄氏温度。
因此,用铂做成的电阻式温度检测器,又称为Pt100温度传感器,即:
A =3.908 3×10-3,
B =-5.775×10-7,
C =0, t≥0℃
-4.183×10-12, t <0℃
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[6]:
Rt= R0(1+AT) (2)
实际应用中,Pt100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Pt100串联,增大了电阻,会影响测量;三线制连
接时,对Pt100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Pt100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/I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0~5 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SIPEX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。
LP2951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[7],最大30 V。
3.2主电路分析
R7,R8,R4,RP1和Pt100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0~5 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0~+120℃变化,当温度上升时,Pt100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Pt100高很多,因此Pt100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0~5 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[8]。