温度测量系统中温度取样电路的设计

摘要：介绍了温度测量系统中温度取样电路的设计方法，将温度传感器PT100安装在直流电桥的桥臂中，通过计算桥臂之间两点的电位差，数值经过由运算放大器构成的差分放大电路处理后，得到电压与温度对应的关系。

关键词：温度测量;PT100热电偶;取样电路

一. 方案设计

在温度测量系统中设计思路一般是由“温度采集”、“取样放大”、“模数转换”、“数据处理”、“输出显示”等环节构成。其中“取样放大”环节非常重要，直接决定输出的精度。“模数转换”芯片都集成在数据处理芯片内部，输入的端口电压为0～3.3V，取样电路设计时，温度最高时对应的电压不能超过3.3V。因此本次设计要求是测量温度范围是0～220℃，输出电压范围是0～3.3V的温度取样电路。

采集温度信号的传感器种类很多，例如可编程数字传感器DS18B20、PT100温度传感器、精密摄氏温度传感器LM35等。选择何种传感器，主要根据被测温度的范围、工作环境等因素有关。DS18B20、LM35这两种温度传感器，测量范围都无法满足设计要求。而PT100温度传感器测量范围-50～400℃，符合设计要求，因此选择PT100温度传感器。取样电路中，直流电桥中桥臂之间电位差作为差分放大电路的输入信号，经过两级放大处理，得到电压与温度的线性关系。

二.系统设计

1.电桥取样环节

该电路采用直流12v供电，电容C1是电源滤波作用。电路正常工作时，由于电容“通交隔直”特性，C1对直流12V不起作用;当电源电压出现波动时，C1吸收了电源中的谐波部分，保证为负载提供直流电的稳定性。电路中D1为精密基准电压源TL431，输入电压可高達37V，本设计为12V，输出2.5V。保证电桥电压的稳定性，减小测量误差。电桥中电阻的参数是根据PT100热电偶温度变化值所选择。PT100的阻值与温度变化关系为：查表可知，当温度为0℃时PT100电阻体的阻值为100Ω，在100℃时阻值约为138.51Ω，在200℃时它的阻值约为175.86Ω，可以看出导体的电阻值随温度的增加而成正比这一关系来进行温度测量的。V1=[2.5/（R2+RP）]×RP，V2=[2.5/（R3+R4）]×R4。当PT100测量温度为0℃时，V1=V2。R4电阻取值与测量最低温度时对应的电阻值有关，本次测量温度范围为0-220℃，0℃时PT100电阻体的阻值为100Ω，因此R4取值为100Ω。V2电位保持不变，V2=[2.5/（R3+R4）]×R4=[2.5/（1000+100）]×100=0.227V。当被测温度为0℃时，PT100热电偶的阻值RP=100Ω，V1=[2.5/（R2+RP）]×RP=[2.5/（1000+100）]×100=0.227V;当被测温度为100℃时，PT100热电偶的阻值RP=138.51Ω，V1=[2.5/（R2+RP）]×RP=[2.5/（1000+138.51）]×138.51=0.304V;当被测温度为220℃时，PT100热电偶的阻值RP=183.19Ω，V1=[2.5/（R2+RP）]×RP=[2.5/（1000+183.19）]×183.19=0.387V。从理论计算数值可以看出，被测温度的范围是0～220℃，V1电位的数值变化范围是0.227V～0.387 V。

2.差分放大环节

主要是研究V3与V1、V2之间的关系，电路利用集成运算放大器LM358-U1A构成的减法运算电路实现。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）。通过计算可以看出差分放大环节中V3的数值是电桥中V1与V2两点的电位差再放大6.8倍。由于电桥中V2点电位保持不变始终是0.227V，因此V3=6.8（V1-0.227）。被测温度的范围是0～220℃，V1电位的数值变化范围是0.227V～0.387 V，V3电压范围是0～1.088V。

3.比例放大环节

比例放大电路利用集成运算放大器LM358-U1B构成的同相比例运算电路实现。可以得出：V-=[Uo/（R10+R11）]R11，推导出Uo=（1+R10/R11）V-，因为V+=V-，V+=V3，所以Uo=（1+R10/R11）V3=（1+20/10）V3=3×V3。当V3电压范围是0～1.088V时，Vo电压的输出范围是0～3.264V。因此利用热电偶PT100作为温度采集信号，当被测物体温度的变化范围是0～220℃，电压输出信号变化的范围是0～3.264V，满足设计要求。

三.系统测试

1. 测试仪器：直流稳压电源、0-300℃水银温度计、数字万用表、恒温电烙铁;

2.测试方法：将电路中电源和地连接到直流稳压电源12V输出端，万用表测量Vo电压。将PT100热电偶与水银温度计同时测量恒温电烙铁温度，通过观察水银温度计温度的数值，记录电压表Vo的测量值。

四.总结

电路设计过程中，差分放大环节与比例放大环节两部分可以合并为一体，采用集成运算放大器LM358-U1A构成的减法运算电路实现，只需改变电路中元件参数即可：将电路中R7、R8电阻的阻值由68KΩ更换为200KΩ，V3作为电压输出端，去掉LM358-U1B构成的同相比例运算电路。Vo=V3=[（R6+R8）/R6][R7/（R5+R7）]V1-（R8/R6）V2=20（V1-V2）=20（V1-0.227），被测温度的范围是0～220℃，V1电位的数值变化范围是0.227V～0.387 V，Vo电压范围是0～3.2V。这种方案可以优化电路，元件少，同时也满足设计要求，电路中集成运算放大器放大的倍数为20。在实际测量过程中发现，PT100热电偶温度每升高1℃，电阻值变化范围很小，测量精度必须要高，因此在电路中采用了两级放大，第一级放大6.8倍，第二级放大3倍，保证了数据的准确性。

参考文献：

[1] 康华光，电子技术基础模拟部分，高等教育出版社，2013.12

作者简介： 陈龙（1980--），男，天津滨海职业学院， 讲师，主要研究电子技术及应用。

本科，毕业于天津职业技术师范大学。

通信地址：天津市滨海新区塘沽庐山道1101号天津滨海职业学院机电工程系

邮政编码：300451

电话： 13752338019

E-mail：clgood1980@163.com