基于 PT100 鉑熱電阻溫度傳感器設(shè)計(jì)

摘 要 PT100 鉑熱電阻是常見(jiàn)的溫度測(cè)量工具，其阻值會(huì)隨溫度的變化而改變，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)過(guò)程溫度參數(shù)的測(cè)量和控制。設(shè)計(jì)基于 PT100 鉑熱電阻的溫度傳感器，根據(jù)周?chē)鷾囟鹊淖兓淖冦K熱電阻大小，通過(guò)電路輸出對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)，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(bào)警。

關(guān)鍵詞 PT100 鉑熱電阻；電橋；NE5532 芯片；放大電路；比較電路

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(duì)溫度參數(shù)測(cè)量的快速性和準(zhǔn)確性提出更高的要求。本文設(shè)計(jì)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(shí)間短等特點(diǎn)。

2 電路設(shè)計(jì)

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(hào)轉(zhuǎn)換器。通過(guò) PT100 鉑熱電阻測(cè)量溫度，經(jīng)過(guò) NE5532 芯片和多個(gè)元器件的組合來(lái)達(dá)到信號(hào)轉(zhuǎn)換、放大輸出一個(gè)模擬電壓信號(hào)；后面再入加比較電路， 對(duì)當(dāng)前值與設(shè)定值進(jìn)行比較，超出時(shí)進(jìn)行報(bào)警。設(shè)計(jì)框圖如圖 1 所示。

圖1

圖2

與普通型熱電阻相比，PT100 鉑熱電阻的特點(diǎn)包括：熱

慣性上測(cè)量滯后小；機(jī)械性能好、耐振，能彎曲，便于安裝； 使用壽命長(zhǎng)。因此，PT100 鉑熱電阻是研究中比較理想的測(cè)溫電子元件。

PT100 鉑電阻 RT 曲線圖如圖 2 所示。當(dāng)在 0 ℃的時(shí)候， PT100 的阻值為 100 Ω，它的阻值會(huì)隨著溫度的上升而勻速增長(zhǎng)，在 100 ℃時(shí)，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(jiǎn)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(yùn)算放大器（雙運(yùn)放）集成電路。與很多標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)放相似，但它具有更好的噪聲性能， 優(yōu)良的輸出驅(qū)動(dòng)能力及相當(dāng)高的小信號(hào)帶寬，電源電壓范圍大等特點(diǎn)。本文中將用它來(lái)構(gòu)成電橋電路、放大電路和比較電路。運(yùn)用 NE5532 芯片的 PT100 鉑熱電阻溫度傳感器電路圖如 3 所示。

圖3

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(guò)大而導(dǎo)致PT100 損壞，為保護(hù)電路，R2=R3=13 KΩ。因?yàn)?/font> PT100 的小電阻值為 100 Ω（即 0 ℃下的電阻值），為了使 A、B 兩點(diǎn)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(shí)中zui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(diǎn)電壓及電橋輸出（A、B 兩點(diǎn)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：

輸出 C 點(diǎn)后面加入電壓比較電 路，由 R4、R11 和NE5532 芯片組成。比較 NE5532 運(yùn)放輸入端 5 腳和 6 腳間的電壓大小，當(dāng) UC ＞ UD 時(shí)，即測(cè)量溫度大于設(shè)定溫度時(shí)， 輸出電壓 UE 為 12 V，此時(shí) LED 燈亮，進(jìn)行報(bào)警。這里可調(diào)電阻 R4 的作用是設(shè)置電壓預(yù)值，通過(guò)改變 R4 就可以改變D 點(diǎn)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。

1 測(cè)試結(jié)果

根據(jù)設(shè)計(jì)焊接完成的電路，測(cè)量溫度 30 ～ 100 ℃對(duì)應(yīng)

的電阻值的數(shù)據(jù)記錄如表１所示。

通過(guò) GRAPH 軟件，根據(jù)實(shí)測(cè)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(shí)際的測(cè)量數(shù)據(jù)，藍(lán)色為標(biāo)準(zhǔn)分度表，兩者比較符合（說(shuō)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(jì)算，得出：

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

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：

結(jié)語(yǔ)

基于PT100 鉑熱電阻的溫度傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(guò)程中結(jié)合工控機(jī)可達(dá)到溫度采集、加熱冷卻等控制功能。