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溫度是表征物體冷熱程度的物理量，在工業(yè)生產(chǎn)、生活應用和科學(xué)研究中是一個(gè)非常重要的參數。在工業(yè)控制過(guò)程中需要對控制對象進(jìn)行溫度監測，防止控制對象由于溫度過(guò)高而損壞，因此溫度的實(shí)時(shí)監測就顯得更加重要。對溫度的實(shí)時(shí)監測有利于對控制對象的及時(shí)檢查、保護，并及時(shí)調整溫度的高低。根據控制系統設計要求的不同，溫度監測系統的設計也有所變化，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，穩定性好，示值復現性高和耐氧化等優(yōu)點(diǎn)，該系統采用Pt100鉑熱電阻作為溫度感測元件，進(jìn)行溫度傳感器的設計與實(shí)現。在設計中，將電壓信號轉換為標準的4～20 mA電流信號，既省去昂貴的補償導線(xiàn)，又提高了信號長(cháng)距離傳送過(guò)程中的抗干擾能力。 1 Pt100鉑熱電阻概述 電阻值隨溫度的變化程度稱(chēng)為溫漂系數，大部分金屬材料的溫漂系數是正數，而且許多純金屬材料的溫漂系數在一定溫度范圍內保持恒定，具體應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，是一種標準化器件。工作溫度范圍：-200～+850 ℃，考慮到工業(yè)的實(shí)際應用，本系統設計的測量范圍為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(guò)該電阻的電流就可以得到與溫度成正比的輸出電壓。根據已知的電阻-溫度關(guān)系，可以計算出被測量的溫度值。Pt100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(chēng)為Pt100溫度傳感器，即： 顯然，電阻與溫度呈非線(xiàn)性關(guān)系，但當測量精度要求較低時(shí)，電阻值與溫度的函數關(guān)系可以簡(jiǎn)化為： 實(shí)際應用中，Pt100的連接方式可以為兩線(xiàn)制、三線(xiàn)制或四線(xiàn)制。該系統采用三線(xiàn)制接法即可滿(mǎn)足要求。二線(xiàn)制連接時(shí)，由于引線(xiàn)電阻與Pt100串聯(lián)，增大了電阻，會(huì )影響測量；三線(xiàn)制連接時(shí)，對Pt100額外增加了第三條線(xiàn)，由于引線(xiàn)電阻具有相同特性，能夠對線(xiàn)電阻進(jìn)行補償；四線(xiàn)制連接時(shí)，可以實(shí)現Kelvin檢測，消除了兩線(xiàn)連線(xiàn)的壓差。 2 系統結構與工作原理 對PtlOO溫度傳感器進(jìn)行了硬件設計。其整個(gè)數據采集系統結構框圖如圖1所示。 圖1中，利用鉑熱電阻特性來(lái)檢測溫度，將溫度轉換成電壓信號；再通過(guò)V／l轉換單元，將電壓信號轉為4～20 mA的標準電流信號輸出，這樣既省去昂貴的補償導線(xiàn)，又提高了信號長(cháng)距離傳送過(guò)程中的抗干擾能力；在單片機系統上再由電流電壓轉換芯片RCV420將4～20 mA轉換為O～5 V電壓信號。經(jīng)過(guò)A／D轉換成數字信號，單片機系統把讀取到的數字信號進(jìn)行識別處理，并換算成與溫度對應的數字信號，最后再由液晶顯示器顯示輸出溫度值。CPU主要完成對A／D采集到的數據進(jìn)行處理，包括A／D值的濾波處理和A／D值向實(shí)際溫度轉換，最后送給顯示器顯示。 3 硬件設計 硬件組成主要由穩定電源電路、運算放大電路、電壓電流轉換電路、電流電壓轉換電路四個(gè)部分組成。 3．1 穩定電源電路 穩定電源電路如圖2所示。LP2951是S1PEX公司推出的低功耗電壓調節器，非常適用于一些電池供電系統，如無(wú)繩電話(huà)、無(wú)線(xiàn)控制系統及便攜式電腦。具有低靜態(tài)電流、低壓差等特性(輕微負載時(shí)，壓差為50 mV；100 mA負載時(shí)，壓差為380 mV)。LP2951具有很小的初始容限(一般0．5％)，非常良好的負載及線(xiàn)路調節特性(一般0．05％)，并具有非常低的溫度系數(20 ppm／℃)，因此非常適合用作低功耗電壓源。LP-2951可以通過(guò)引腳連接得到5 V電壓，使用內部分壓器通過(guò)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(guò)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Pt100組成傳感器測量電橋，為了保證電橋輸出電壓信號的穩定性，電橋的輸入電壓由LP2951電源芯片來(lái)提供。從電橋獲取的差分電壓信號通過(guò)兩級運放放大后，再經(jīng)過(guò)電壓／電流轉換電路，轉換為4～20 mA的標準電流信號輸出，因為A／D只能采集電壓信號，所以在信號進(jìn)行A／D采集前，再通過(guò)芯片RCV420將4～20 mA轉換為O～5 V電壓信號。電橋的一個(gè)橋臂采用可調電阻RP1，通過(guò)調節RP1，可以調整輸入到運放的差分電壓信號大小，通常用于調整零點(diǎn)。放大電路采用LM258集成運算放大器，為了防止單級放大倍數過(guò)高帶來(lái)的非線(xiàn)性誤差，放大電路采用兩級放大，其中可調電阻RP2用于調節放大電路的增益。溫度在O～+120 ℃變化，當溫度上升時(shí)，Pt100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地升高，輸出電流也相應變大。實(shí)際選用的R8阻值比PtlOO高很多，因此Pt100阻值變化引起的測量電流變化不大，獲得近似恒流法的線(xiàn)性輸出。 3．3 電流電壓轉換電路 RCV420是美國B(niǎo)-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基準電壓源。在不需要外調整的情況下，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，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(shí)驗測試與結論 由于萬(wàn)用表、溫度測試儀等測量工具存在誤差，很明顯，從上面的實(shí)驗數據分析，實(shí)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，實(shí)驗值等于理論值。該設計符合實(shí)際要求，如圖4所示。圖5給出實(shí)驗實(shí)物圖。 5 結語(yǔ) 在溫度測量系統中，Pt100鉑熱電阻被密封在金屬棒中，這樣使得本溫度測量系統不但可以測量室內氣體溫度，還可以測量油缸內油溫、土壤、液體、種子等內的溫度，大大提高了溫度測量系統的適用范圍。采用Pt100鉑熱電阻為溫度檢測元件，可有效降低開(kāi)發(fā)成本，擴大應用。該變送器的電路設計簡(jiǎn)單方便，實(shí)用性好，電路工作穩定、可靠性高。該產(chǎn)品已實(shí)際應用于空壓機專(zhuān)用變頻器溫度測量系統中，而且工作穩定可靠。 |
