基于 PT100 鉑熱電阻溫度傳感器設計

摘 要 PT100 鉑熱電阻是常見的溫度測量工具，其阻值會隨溫度的變化而改變，被廣泛應用于工業(yè)過程溫度參數(shù)的測量和控制。設計基于 PT100 鉑熱電阻的溫度傳感器，根據(jù)周圍溫度的變化改變鉑熱電阻大小，通過電路輸出對應的電壓信號，加入預設值比較電路，可以將當前溫度是否超出范圍進行報警。

關鍵詞 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用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學研究

等領域 [1]，為提高生產(chǎn)效率，對溫度參數(shù)測量的快速性和準確性提出更高的要求。本文設計基于 PT100 鉑熱電阻的溫度傳感器，具有精度高、線性好、響應時間短等特點。

2 電路設計

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轉換器。通過 PT100 鉑熱電阻測量溫度，經(jīng)過 NE5532 芯片和多個元器件的組合來達到信號轉換、放大輸出一個模擬電壓信號；后面再入加比較電路， 對當前值與設定值進行比較，超出時進行報警。設計框圖如圖 1 所示。

圖1

圖2

與普通型熱電阻相比，PT100 鉑熱電阻的特點包括：熱

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

PT100 鉑電阻 RT 曲線圖如圖 2 所示。當在 0 ℃的時候， PT100 的阻值為 100 Ω，它的阻值會隨著溫度的上升而勻速增長，在 100 ℃時，它的阻值約為 138.5 Ω。它的阻值跟溫度的變化成正比，但不是簡單的正比的關系，而更應該趨近于一條拋物線 [2]。

NE5532 是高性能低噪聲雙運算放大器（雙運放）集成電路。與很多標準運放相似，但它具有更好的噪聲性能， 優(yōu)良的輸出驅(qū)動能力及相當高的小信號帶寬，電源電壓范圍大等特點。本文中將用它來構成電橋電路、放大電路和比較電路。運用 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大而導致PT100 損壞，為保護電路，R2=R3=13 KΩ。因為 PT100 的小電阻值為 100 Ω（即 0 ℃下的電阻值），為了使 A、B 兩點的電壓差小，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 兩點電壓及電橋輸出（A、B 兩點電壓差）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 點后面加入電壓比較電 路，由 R4、R11 和NE5532 芯片組成。比較 NE5532 運放輸入端 5 腳和 6 腳間的電壓大小，當 UC ＞ UD 時，即測量溫度大于設定溫度時， 輸出電壓 UE 為 12 V，此時 LED 燈亮，進行報警。這里可調(diào)電阻 R4 的作用是設置電壓預值，通過改變 R4 就可以改變D 點電壓進行電壓預設；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 測試結果

根據(jù)設計焊接完成的電路，測量溫度 30 ～ 100 ℃對應

的電阻值的數(shù)據(jù)記錄如表１所示。

通過 GRAPH 軟件，根據(jù)實測值及利用 PT100 標準分度表制作的函數(shù)圖如圖４所示。其中，紅色線為實際的測量數(shù)據(jù)，藍色為標準分度表，兩者比較符合（說明：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)進行公式計算，得出：

結合式 3、4 得出通過電路放大后，輸出電壓 UC 與溫度間的關系式為：

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：

結語

基于PT100 鉑熱電阻的溫度傳感器結構簡單，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)過程中結合工控機可達到溫度采集、加熱冷卻等控制功能。