单位文秘网 2022-02-25 08:52:20 点击: 次
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。
2 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。
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。
在图3所示电路中,电桥电路由R2、R3、R9和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的最小电阻值为100 Ω(即0 ℃下的电阻值),为了使A、B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,然而现实中最接近的只有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A、B两点电压及电桥输出(A、B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。UA、UB为后面放大电路的输入电压。利用由R1、R5、R7、R10和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和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为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。
3 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3、4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:
4 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。
参考文献
[1]朱杰.基于A类铂电阻的弹体温度采集系统研究[J].科学技术与工程,2013(9).
[2]pt100热电阻[EB/OL].http://baike.so.com/doc/6742815-6957342.html.
[3]才智,等.PT100铂热电阻温度测量系统的设计[J].虚拟仪器与应用,2008(20).
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