Pt100铂电阻测温电路-重要

常用电路图R2、R3、R4和Pt100组成传感器测量电桥，为了保证电桥输出电压信号的稳定性，电桥的输入电压通过TL431稳至2.5V。从电桥获取的差分信号通过两级运放放大后输入单片机。电桥的一个桥臂采用可调电阻R3，通过调节R3可以调整输入到运放的差分电压信号大小，通常用于调整零点。放大电路采用LM358集成运算放大器，为了防止单级放大倍数过高带来的非线性误差，放大电路采用两级放大，如图5.1所示，前一级约为10倍，后一级约为3倍。温度在0~100度变化，当温度上升时，Pt100阻值变大，输入放大电路的差分信号变大，放大电路的输出电压Av对应升高。注意：虽然电桥部分已经经过TL431稳压，但是整个模块的电压VCC一定要稳定，否则随着VCC的波动，运放LM358的工作电压波动，输出电压Av随之波动，最后导致A/D转换的结果波动，测量结果上下跳变。铂热电阻阻值与温度关系为：式中，A=0.00390802；B=-0.000000580；C=0.0000000000042735。可见Pt100在常温0~100摄氏度之间变化时线性度非常好，其阻值表达式可近似简化为：RPt=100（1+At），当温度变化1摄氏度，Pt100阻值近似变化0.39欧。Pt100的分度表（0℃~100℃）程序处理一般在使用PT100的温度采集方案中，都会对放大器LM358采集来的模拟信号AV进行温度采样，即进行A/D转换。A/D处理包括两方面内容，一是A/D值的滤波处理，二是A/D值向实际温度转换。由于干扰或者电路噪声的存在，在采样过程当中会出现采样信号与实际信号存在偏差的现象，甚至会出现信号的高低波动，为了减小这方面原因造成的测量误差，在实际采样时采样18个点，然后再除去其中偏差较大的两个点，即一个最大值和一个最小值，再对剩余的16个点取均值，这样得到的A/D转换结果比较接近实际值。在对数值进行滤波操作之后，还要将A/D值转换为温度，常用的两种方法为查表法和公式法：查表法比较麻烦，而且精度也不高，适合于线性化较差的NTC温度传感器；公式法比较简单，只需要确定比例系数K和基准偏差B即可，适合于线性化较好的传感器温度转换的C语言实现过程为：fT=(ADC_data*K)–B;//换算成温度值。得到温度后，一般还会对被控对象根据实际温度和目标温度进行实时的控制，要又要设计到控制算法，如：模糊控制、PID调节等。这里简单介绍一下PID控制原理，更多内容请察看相关书籍。PID工作原理PID（ProportionalIntegralDerivative）控制是控制工程中技术成熟、应用广泛的一种控制策略，经过长期的工程实践，已形成了一套完整的控制方法和典型的结构。它不仅适用于数学模型已知的控制系统中，而且对于大多数数学模型难以确定的工业过程也可应用，在众多工业过程控制中取得了满意的应用效果。由于来自外界的各种扰动不断产生，要想达到现场控制对象值保持恒定的目的，控制作用就必须不断的进行。若扰动出现使得现场控制对象值(以下简称被控参数)发生变化，现场检测元件就会将这种变化采集后经变送器送至PID控制器的输入端，并与其给定值(以下简称SP值)进行比较得到偏差值(以下简称e值)，调节器按此偏差并以我们预先设定的整定参数控制规律发出控制信号，去改变调节器的开度，使调节器的开度增加或减少，从而使现场控制对象值发生改变，并趋向于给定值(SP值)，以达到控制目的，如图所示，其实PID的实质就是对偏差（e值）进行比例、积分、微分运算，根据运算结果控制执行部件的过程。温度控制PID算法设计利用了上面所介绍的位置式PID算法，将温度传感器采样输入作为当前输入，然后与设定值进行相减得偏差，然后再对之进行PID运算产生输出结果fOut，然后让fOut控制定时器的时间进而控制加热器。为了方便PID运算，首先建立一个PID的结构体数据类型，该数据类型用于保存PID运算所需要的P、I、D系数，以及设定值，历史误差的累加和等信息：typedefstructPID{floatSetPoint;//设定目标DesiredValuefloatProportion;//比例系数ProportionalConstfloatIntegral;//积分系数IntegralConstfloatDerivative;//微分系数DerivativeConstintLastError;//上次偏差intSumError;//历史误差累计值}PID;PIDstPID;//定义一个stPID变量PID运算的C实现代码floatPIDCalc(PID*pp,intNextPoint){intdError,Error;Error=pp-SetPoint*10－NextPoint;//偏差，设定值减去当前采样值pp-SumError+=Error;//积分，历史偏差累加dError=Error－pp-LastError;//当前微分，偏差相减pp-PrevError=pp-LastError;//保存pp-LastError=Error;return(pp-Proportion*Error+pp-Integral*pp-SumError－pp-Derivative*dError);}其中(pp-Proportion*Error)是比例项；(pp-Integral*pp-SumError)是积分项；(pp-Derivative*dError)是微分。基于Ptl00铂热电阻的温度变送器设计与实现温度是表征物体冷热程度的物理量，在工业生产、生活应用和科学研究中是一个非常重要的参数。在工业控制过程中需要对控制对象进行温度监测，防止控制对象由于温度过高而损坏，因此温度的实时监测就显得更加重要。对温度的实时监测有利于对控制对象的及时检查、保护，并及时调整温度的高低。根据控制系统设计要求的不同，温度监测系统的设计也有所变化，有采用集成芯片的，也有采用恒流源器件和恒压源器件的。因铂热电阻具有测量范围大，稳定性好，示值复现性高和耐氧化等优点，该系统采用PtlOO铂热电阻作为温度感测元件，进行温度传感器的设计与实现。在设计中，将电压信号转换为标准的4～20mA电流信号，既省去昂贵的补偿导线，又提高了信号长距离传送过程中的抗干扰能力。lPtl00铂热电阻概述电阻值随温度的变化程度称为温漂系数，大部分金属材料的温漂系数是正数，而且许多纯金属材料的温漂系数在一定温度范围内保持恒定，具体应用中选用哪一种金属材料(铂、铜、镍等)取决于被测温度的范围。金属铂(Pt)电阻的温度响应特性较好，成本较低，可测量温度较高；它在0℃的额定电阻值是100Ω，是一种标准化器件。工作温度范围：-200～+850℃，考虑到工业的实际应用，本系统设计的测量范围为0～120℃。因为热敏电阻的阻值和温度呈正比关系，只需知道流过该电阻的电流就可以得到与温度成正比的输出电压。根据已知的电阻-温度关系，可以计算出被测量的温度值。Ptl00温度感测器是一种以铂(Pt)做成的电阻式温度检测器，其电阻和温度变化的关系式为：式中：R0为O℃下的电阻值，R0=10OΩ；T为摄氏温度。因此，用铂做成的电阻式温度检测器，又称为Ptl00温度传感器，即：显然，电阻与温度呈非线性关系，但当测量精度要求较低时，电阻值与温度的函数关系可以简化为：实际应用中，Ptl00的连接方式可以为两线制、三线制或四线制。该系统采用三线制接法即可满足要求。二线制连接时，由于引线电阻与Ptl00串联，增大了电阻，会影响测量；三线制连接时，对Ptl00额外增加了第三条线，由于引线电阻具有相同特性，能够对线电阻进行补偿；四线制连接时，可以实现Kelvin检测，消除了两线连线的压差。2系统结构与工作原理对PtlOO温度传感器进行了硬件设计。其整个数据采集系统结构框图如图1所示。图1中，利用铂热电阻特性来检测温度，将温度转换成电压信号；再通过V／l转换单元，将电压信号转为4～20mA的标准电流信号输出，这样既省去昂贵的补偿导线，又提高了信号长距离传送过程中的抗干扰能力；在单片机系统上再由电流电压转换芯片RCV420将4～20mA转换为O～5V电压信号。经过A／D转换成数字信号，单片机系统把读取到的数字信号进行识别处理，并换算成与温度对应的数字信号，最后再由液晶显示器显示输出温度值。CPU主要完成对A／D采集到的数据进行处理，包括A／D值的滤波处理和A／D值向实际温度转换，最后送给显示器显示。3硬件设计硬件组成主要由稳定电源电路、运算放大电路、电压电流转换电路、电流电压转换电路四个部分组成。3．1稳定电源电路稳定电源电路如图2所示。LP2951是S1PEX公司推出的低功耗电压调节器，非常适用于一些电池供电系统，如无绳电话、无线控制系统及便携式电脑。具有低静态电流、低压差等特性(轻微负载时，压差为50mV；100mA负载时，压差为380mV)。LP2951具有很小的初始容限(一般0．5％)，非常良好的负载及线路调节特性(一般0．05％)，并具有非常低的温度系数(20ppm／℃)，因此非常适合用作低功耗电压源。LP-2951可以通过引脚连接得到5V电压，使用内部分压器通过引脚1(输出)及引脚2(Sense)及引脚7(反馈)到引脚6(5V端)，获得输出、Sense、反馈、5V端电压。同样，还可以通过1．235V的参考源获得其他输出电压，最大30V。3．2主电路分析R7，R8，R4，RP1和Ptl00组成传感器测量电桥，为了保证电桥输出电压信号的稳定性，电桥的输入电压由LP2951电源芯片来提供。从电桥获取的差分电压信号通过两级运放放大后，再经过电压／电流转换电路，转换为4～20mA的标准电流信号输出，因为A／D只能采集电压信号，所以在信号进行A／D采集前，再通过芯片RCV420将4～20mA转换为O～5V电压信号。电桥的一个桥臂采用可调电阻RP1，通过调节RP1，可以调整输入到运放的差分电压信号大小，通常用于调整零点。放大电路采用LM258集成运算放大器，为了防止单级放大倍数过高带来的非线性误差，放大电路采用两级放大，其中可调电阻RP2用于调节放大电路的增益。温度在O～+120℃变化，当温度上升时，Ptl00阻值变大，输入放大电路的差分信号变大，放大电路的输出电压对应地升高，输出电流也相应变大。实际选用的R8阻值比PtlOO高很多，因此Ptl00阻值变化引起的测量电流变化不大，获得近似恒流法的线性输出。3．3电流电压转换电路RCV420是美国B-B公司生产的一种精密电流电压变换器，它能将4～20mA的环路电流变换成O～5V的电压输出。作为一种单片集成电路具有可靠的性能和很低的成本，除具有精密运放和电阻网络外，还集成有10V基准电压源。在不需要外调整的情况下，可以获得86dB的共模抑制比和40V的共模电压输入，在全量程范围内，输入阻抗仅有1．5V的压降，对于环路电流具有很好的变换能力。4实验测试与结论由于万用表、温度测试仪等测量工具存在误差，很明显，从上面的实验数据分析，实验斜率K1近似等于理论斜率，即在工业误差(-0．5～+0．5℃)允许范围内，实验值等于理论值。该设计符合实际要求，如图4所示。图5给出实验实物图。5结语在温度测量系统中，Ptl00铂热电阻被密封在金属棒中，这样使得本温度测量系统不但可以测量室内气体温度，还可以测量油缸内油温、土壤、液体、种子等内的温度，大大提高了温度测量系统的适用范围。采用Ptl00铂热电阻为温度检测元件，可有效降低开发成本，扩大应用。该变送器的电路设计简单方便，实用性好，电路工作稳定、可靠性高。该产品已实际应用于空压机专用变频器温度测量系统中，而且工作稳定可靠。