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基于 PT100 铂热电阻温度传感器设计

发布时间:2021/2/22 15:08:13
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PT100 铂热电阻是常见的温度测量工具,其阻值会随温度的变化而改变,被广泛应用于工业过程温度参数的测量和控制。设计基于 PT100 铂热电阻的温度传感器,根据周围温度的变化改变铂热电阻大小,通过电路输出对应的电压信号,加入预设值比较电路,可以将当前温度是否超出范围进行报警。

关键词 PT100 铂热电阻;电桥NE5532 芯片;放大电路;比较电路

 

引言

温度传感器被广泛应用于工业、农业生产、科学研究

等领域 [1],为提高生产效率,对温度参数测量的快速性和准确性提出更高的要求。本文设计基于 PT100 铂热电阻的温度传感器,具有精度高、线性好、响应时间短等特点。

电路设计

基于 PT100 铂热电阻温度传感器由两部分组成PT100

铂热电阻传感器和信号转换器。通过 PT100 铂热电阻测量温度,经过 NE5532 芯片和多个元器件的组合来达到信号转换、放大输出一个模拟电压信号;后面再入加比较电路, 对当前值与设定值进行比较,超出时进行报警。设计框图如图 1 所示。

 

图1

图2

与普通型热电阻相比,PT100 铂热电阻的特点包括:热

惯性上测量滞后小;机械性能好、耐振,能弯曲,便于安装; 使用寿命长。因此,PT100 铂热电阻是研究中比较理想的测温电子元件。

PT100 铂电阻 RT 曲线图如图 2 所示。当在 0 ℃的时候, PT100 的阻值为 100 Ω,它的阻值会随着温度的上升而匀速增长,在 100 ℃时,它的阻值约为 138.5 Ω。它的阻值跟温度的变化成正比,但不是简单的正比的关系,而更应该趋近于一条抛物线 [2]

NE5532 是高性能低噪声双运算放大器双运放)集成电路。与很多标准运放相似,但它具有更好的噪声性能, 优良的输出驱动能力及相当高的小信号带宽,电源电压范围大等特点。本文中将用它来构成电桥电路、放大电路和比较电路。运用 NE5532 芯片的 PT100 铂热电阻温度传感器电路图如 3 所示。

图3

在图 3 所示电路中,电桥电路由 R2、R3、R9  PT100 电阻组成。为了防止电路电流过大而导致PT100 损坏,为保护电路,R2=R3=13 KΩ。因为 PT100 的小电阻值为 100 Ω 0 ℃下的电阻值,为了使 AB 两点的电压差小,根据铂热电阻的分度表,取 R=96.09 Ω 或者 92.16 Ω 才是合适的,然而现实中zui的只有 R=91 Ω 的电阻,所以取R9=91 Ω,这样有利于减小误差。由图可得到 AB 两点电压及电桥输出(AB 两点电压差)分别为:

其中 UA 的值随工作环境温度的变化而变化。UAUB 为后面放大电路的输入电压。利用由 R1R5R7R10 NE5532 芯片组成求差放大电路,该基本减法电路的输出电压为:

其放大倍数为:

 

输出 C 点后面加入电压比较电 路,由 R4、R11 NE5532 芯片组成。比较 NE5532 运放输入端 5 脚和 6 脚间的电压大小,当 UC  UD 时,即测量温度大于设定温度时, 输出电压 UE  12 V,此时 LED 灯亮,进行报警。这里可调电阻 R4 的作用是设置电压预值,通过改变 R4 就可以改变D 点电压进行电压预设;R6 起的是限流和隔离作用,使左右两边的电路不受干扰;C1 起的是滤波作用。

测试结果

根据设计焊接完成的电路,测量温度 30 ~ 100 ℃对应

的电阻值的数据记录如表1所示。

通过 GRAPH 软件,根据实测值及利用 PT100 标准分度表制作的函数图如图4所示。其中,红色线为实际的测量数据,蓝色为标准分度表,两者比较符合说明:上方为红色线,下方为黑色线)。

在此采用分度表上的数据进行公式计算,得出:

结合式 34 得出通过电路放大后,输出电压 UC 与温度间的关系式为:

 

这里输入电源电压 VCC=5 V,K=100,R2=R3=13 000 Ω

 


R9=91 Ω,则式 6 为:

结语

基于PT100 铂热电阻的温度传感器结构简单,成本低,性能稳定,是比较理想的温度数据采集器。工业生产过程中结合工控机可达到温度采集、加热冷却等控制功能。

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