溫度測(cè)量系統(tǒng)中溫度取樣電路的設(shè)計(jì)

摘要：介紹了溫度測(cè)量系統(tǒng)中溫度取樣電路的設(shè)計(jì)方法，將溫度傳感器PT100安裝在直流電橋的橋臂中，通過(guò)計(jì)算橋臂之間兩點(diǎn)的電位差，數(shù)值經(jīng)過(guò)由運(yùn)算放大器構(gòu)成的差分放大電路處理后，得到電壓與溫度對(duì)應(yīng)的關(guān)系。

關(guān)鍵詞：溫度測(cè)量;PT100熱電偶;取樣電路

一. 方案設(shè)計(jì)

在溫度測(cè)量系統(tǒng)中設(shè)計(jì)思路一般是由“溫度采集”、“取樣放大”、“模數(shù)轉(zhuǎn)換”、“數(shù)據(jù)處理”、“輸出顯示”等環(huán)節(jié)構(gòu)成。其中“取樣放大”環(huán)節(jié)非常重要，直接決定輸出的精度?！澳?shù)轉(zhuǎn)換”芯片都集成在數(shù)據(jù)處理芯片內(nèi)部，輸入的端口電壓為0～3.3V，取樣電路設(shè)計(jì)時(shí)，溫度最高時(shí)對(duì)應(yīng)的電壓不能超過(guò)3.3V。因此本次設(shè)計(jì)要求是測(cè)量溫度范圍是0～220℃，輸出電壓范圍是0～3.3V的溫度取樣電路。

采集溫度信號(hào)的傳感器種類很多，例如可編程數(shù)字傳感器DS18B20、PT100溫度傳感器、精密攝氏溫度傳感器LM35等。選擇何種傳感器，主要根據(jù)被測(cè)溫度的范圍、工作環(huán)境等因素有關(guān)。DS18B20、LM35這兩種溫度傳感器，測(cè)量范圍都無(wú)法滿足設(shè)計(jì)要求。而PT100溫度傳感器測(cè)量范圍-50～400℃，符合設(shè)計(jì)要求，因此選擇PT100溫度傳感器。取樣電路中，直流電橋中橋臂之間電位差作為差分放大電路的輸入信號(hào)，經(jīng)過(guò)兩級(jí)放大處理，得到電壓與溫度的線性關(guān)系。

二.系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.電橋取樣環(huán)節(jié)

該電路采用直流12v供電，電容C1是電源濾波作用。電路正常工作時(shí)，由于電容“通交隔直”特性，C1對(duì)直流12V不起作用;當(dāng)電源電壓出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，C1吸收了電源中的諧波部分，保證為負(fù)載提供直流電的穩(wěn)定性。電路中D1為精密基準(zhǔn)電壓源TL431，輸入電壓可高達(dá)37V，本設(shè)計(jì)為12V，輸出2.5V。保證電橋電壓的穩(wěn)定性，減小測(cè)量誤差。電橋中電阻的參數(shù)是根據(jù)PT100熱電偶溫度變化值所選擇。PT100的阻值與溫度變化關(guān)系為：查表可知，當(dāng)溫度為0℃時(shí)PT100電阻體的阻值為100Ω，在100℃時(shí)阻值約為138.51Ω，在200℃時(shí)它的阻值約為175.86Ω，可以看出導(dǎo)體的電阻值隨溫度的增加而成正比這一關(guān)系來(lái)進(jìn)行溫度測(cè)量的。V1=[2.5/（R2+RP）]×RP，V2=[2.5/（R3+R4）]×R4。當(dāng)PT100測(cè)量溫度為0℃時(shí)，V1=V2。R4電阻取值與測(cè)量最低溫度時(shí)對(duì)應(yīng)的電阻值有關(guān)，本次測(cè)量溫度范圍為0-220℃，0℃時(shí)PT100電阻體的阻值為100Ω，因此R4取值為100Ω。V2電位保持不變，V2=[2.5/（R3+R4）]×R4=[2.5/（1000+100）]×100=0.227V。當(dāng)被測(cè)溫度為0℃時(shí)，PT100熱電偶的阻值RP=100Ω，V1=[2.5/（R2+RP）]×RP=[2.5/（1000+100）]×100=0.227V;當(dāng)被測(cè)溫度為100℃時(shí)，PT100熱電偶的阻值RP=138.51Ω，V1=[2.5/（R2+RP）]×RP=[2.5/（1000+138.51）]×138.51=0.304V;當(dāng)被測(cè)溫度為220℃時(shí)，PT100熱電偶的阻值RP=183.19Ω，V1=[2.5/（R2+RP）]×RP=[2.5/（1000+183.19）]×183.19=0.387V。從理論計(jì)算數(shù)值可以看出，被測(cè)溫度的范圍是0～220℃，V1電位的數(shù)值變化范圍是0.227V～0.387 V。

2.差分放大環(huán)節(jié)

主要是研究V3與V1、V2之間的關(guān)系，電路利用集成運(yùn)算放大器LM358-U1A構(gòu)成的減法運(yùn)算電路實(shí)現(xiàn)。V+=[V1/（R5+R7）]R7，（V2-V-）/R6=（V- -V3）/R8，V3=[（1+R8/R6）V-]–[（R8/R6） V2]，由于V+=V-，得出V3=[（R6+R8）/R6][R7/（R5+R7）]V1-（R8/R6）V2=6.8（V1-V2）。通過(guò)計(jì)算可以看出差分放大環(huán)節(jié)中V3的數(shù)值是電橋中V1與V2兩點(diǎn)的電位差再放大6.8倍。由于電橋中V2點(diǎn)電位保持不變始終是0.227V，因此V3=6.8（V1-0.227）。被測(cè)溫度的范圍是0～220℃，V1電位的數(shù)值變化范圍是0.227V～0.387 V，V3電壓范圍是0～1.088V。

3.比例放大環(huán)節(jié)

比例放大電路利用集成運(yùn)算放大器LM358-U1B構(gòu)成的同相比例運(yùn)算電路實(shí)現(xiàn)。可以得出：V-=[Uo/（R10+R11）]R11，推導(dǎo)出Uo=（1+R10/R11）V-，因?yàn)閂+=V-，V+=V3，所以Uo=（1+R10/R11）V3=（1+20/10）V3=3×V3。當(dāng)V3電壓范圍是0～1.088V時(shí)，Vo電壓的輸出范圍是0～3.264V。因此利用熱電偶PT100作為溫度采集信號(hào)，當(dāng)被測(cè)物體溫度的變化范圍是0～220℃，電壓輸出信號(hào)變化的范圍是0～3.264V，滿足設(shè)計(jì)要求。

三.系統(tǒng)測(cè)試

1. 測(cè)試儀器：直流穩(wěn)壓電源、0-300℃水銀溫度計(jì)、數(shù)字萬(wàn)用表、恒溫電烙鐵;

2.測(cè)試方法：將電路中電源和地連接到直流穩(wěn)壓電源12V輸出端，萬(wàn)用表測(cè)量Vo電壓。將PT100熱電偶與水銀溫度計(jì)同時(shí)測(cè)量恒溫電烙鐵溫度，通過(guò)觀察水銀溫度計(jì)溫度的數(shù)值，記錄電壓表Vo的測(cè)量值。

四.總結(jié)

電路設(shè)計(jì)過(guò)程中，差分放大環(huán)節(jié)與比例放大環(huán)節(jié)兩部分可以合并為一體，采用集成運(yùn)算放大器LM358-U1A構(gòu)成的減法運(yùn)算電路實(shí)現(xiàn)，只需改變電路中元件參數(shù)即可：將電路中R7、R8電阻的阻值由68KΩ更換為200KΩ，V3作為電壓輸出端，去掉LM358-U1B構(gòu)成的同相比例運(yùn)算電路。Vo=V3=[（R6+R8）/R6][R7/（R5+R7）]V1-（R8/R6）V2=20（V1-V2）=20（V1-0.227），被測(cè)溫度的范圍是0～220℃，V1電位的數(shù)值變化范圍是0.227V～0.387 V，Vo電壓范圍是0～3.2V。這種方案可以優(yōu)化電路，元件少，同時(shí)也滿足設(shè)計(jì)要求，電路中集成運(yùn)算放大器放大的倍數(shù)為20。在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，PT100熱電偶溫度每升高1℃，電阻值變化范圍很小，測(cè)量精度必須要高，因此在電路中采用了兩級(jí)放大，第一級(jí)放大6.8倍，第二級(jí)放大3倍，保證了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

參考文獻(xiàn)：

[1] 康華光，電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分，高等教育出版社，2013.12

作者簡(jiǎn)介： 陳龍（1980--），男，天津?yàn)I海職業(yè)學(xué)院， 講師，主要研究電子技術(shù)及應(yīng)用。

本科，畢業(yè)于天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)。

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