基于PT100铂热电阻温度传感器设计*

◆李玉娜

基于PT100铂热电阻温度传感器设计*

◆李玉娜

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。

PT100铂热电阻；电桥；NE5532芯片；放大电路；比较电路

10.3969/j.issn.1671-489X.2016.16.033

1　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。

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。

图1　基于PT100铂热电阻温度传感器设计框图

图2　PT100铂电阻RT曲线图

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：

图3　PT100铂热电阻温度传感器电路图

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：

表1　测量数据

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：

图4　通过GRAPH软件制作的函数图

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。

［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）.

Design of Temperature Sensor based on Thermal Resistor of PT100

//LI Yuna

Thermal resistor of PT100 is a common temperature measuring tool. Its resistance value is temperature-dependant. Thus it is widely used in the measurement and control of temperature parameter in industrial processes. This essay is on the design of temperature sensor based on the thermal resistor of PT100， changing its resistance value according to temperature change of surrounding environment and outputting the corresponding voltage through electric circuits. In the design added a preset comparison circuit which can give an alarm when the temperature is out of range.

thermal resistor of PT100； bridge； NE5532 chip； comparison circuit； amplifying circuit

G712

B

1671-489X（2016）16-0033-03

*广州市教育局《广州塔电子创意制作》青少年科技项目（2016-280）。

作者：李玉娜，广东技术师范学院实验师，研究方向为自动化、电气工程（510635）。