溫度是表征物體冷熱程度的物理量，在工業生產、生活應用和科學研究中是一個非常重要的參數。在工業控制過程中需要對控制對象進行溫度監測，防止控制對象由于溫度過高而損壞，因此溫度的實時監測就顯得更加重要。對溫度的實時監測有利于對控制對象的及時檢查、保護，并及時調整溫度的高低。根據控制系統設計要求的不同，溫度監測系統的設計也有所變化，有采用集成芯片的，也有采用恒流源器件和恒壓源器件的。因鉑熱電阻具有測量范圍大，穩定性好，示值復現性高和耐氧化等優點，該系統采用PtlOO鉑熱電阻作為溫度感測元件，進行溫度傳感器的設計與實現。在設計中，將電壓信號轉換為標準的4～20 mA電流信號，既省去昂貴的補償導線，又提高了信號長距離傳送過程中的抗干擾能力。
l Ptl00鉑熱電阻概述
電阻值隨溫度的變化程度稱為溫漂系數，大部分金屬材料的溫漂系數是正數，而且許多純金屬材料的溫漂系數在一定溫度范圍內保持恒定，具體應用中選用哪一種金屬材料(鉑、銅、鎳等)取決于被測溫度的范圍。金屬鉑(Pt)電阻的溫度響應特性較好，成本較低，可測量溫度較高；它在0 ℃的額定電阻值是100 Ω，是一種標準化器件。工作溫度范圍：-200～+850 ℃，考慮到工業的實際應用，本系統設計的測量范圍為0～120℃。因為熱敏電阻的阻值和溫度呈正比關系，只需知道流過該電阻的電流就可以得到與溫度成正比的輸出電壓。根據已知的電阻-溫度關系，可以計算出被測量的溫度值。Ptl00溫度感測器是一種以鉑(Pt)做成的電阻式溫度檢測器，其電阻和溫度變化的關系式為：
式中：R0為O ℃下的電阻值，R0=10O Ω；T為攝氏溫度。
因此，用鉑做成的電阻式溫度檢測器，又稱為Ptl00溫度傳感器，即：
顯然，電阻與溫度呈非線性關系，但當測量精度要求較低時，電阻值與溫度的函數關系可以簡化為：
實際應用中，Ptl00的連接方式可以為兩線制、三線制或四線制。該系統采用三線制接法即可滿足要求。二線制連接時，由于引線電阻與Ptl00串聯，增大了電阻，會影響測量；三線制連接時，對Ptl00額外增加了第三條線，由于引線電阻具有相同特性，能夠對線電阻進行補償；四線制連接時，可以實現Kelvin檢測，消除了兩線連線的壓差。
2 系統結構與工作原理
對PtlOO溫度傳感器進行了硬件設計。其整個數據采集系統結構框圖如圖1所示。
圖1中，利用鉑熱電阻特性來檢測溫度，將溫度轉換成電壓信號；再通過V／l轉換單元，將電壓信號轉為4～20 mA的標準電流信號輸出，這樣既省去昂貴的補償導線，又提高了信號長距離傳送過程中的抗干擾能力；在單片機系統上再由電流電壓轉換芯片RCV420將4～20 mA轉換為O～5 V電壓信號。經過A／D轉換成數字信號，單片機系統把讀取到的數字信號進行識別處理，并換算成與溫度對應的數字信號，最后再由液晶顯示器顯示輸出溫度值。CPU主要完成對A／D采集到的數據進行處理，包括A／D值的濾波處理和A／D值向實際溫度轉換，最后送給顯示器顯示。
3 硬件設計
硬件組成主要由穩定電源電路、運算放大電路、電壓電流轉換電路、電流電壓轉換電路四個部分組成。
3．1 穩定電源電路
穩定電源電路如圖2所示。LP2951是S1PEX公司推出的低功耗電壓調節器，非常適用于一些電池供電系統，如無繩電話、無線控制系統及便攜式電腦。具有低靜態電流、低壓差等特性(輕微負載時，壓差為50 mV；100 mA負載時，壓差為380 mV)。LP2951具有很小的初始容限(一般0．5％)，非常良好的負載及線路調節特性(一般0．05％)，并具有非常低的溫度系數(20 ppm／℃)，因此非常適合用作低功耗電壓源。LP-2951可以通過引腳連接得到5 V電壓，使用內部分壓器通過引腳1(輸出)及引腳2(Sense)及引腳7(反饋)到引腳6(5 V端)，獲得輸出、Sense、反饋、5 V端電壓。同樣，還可以通過1．235 V的參考源獲得其他輸出電壓，最大30 V。
3．2 主電路分析
R7，R8，R4，RP1和Ptl00組成傳感器測量電橋，為了保證電橋輸出電壓信號的穩定性，電橋的輸入電壓由LP2951電源芯片來提供。從電橋獲取的差分電壓信號通過兩級運放放大后，再經過電壓／電流轉換電路，轉換為4～20 mA的標準電流信號輸出，因為A／D只能采集電壓信號，所以在信號進行A／D采集前，再通過芯片RCV420將4～20 mA轉換為O～5 V電壓信號。電橋的一個橋臂采用可調電阻RP1，通過調節RP1，可以調整輸入到運放的差分電壓信號大小，通常用于調整零點。放大電路采用LM258集成運算放大器，為了防止單級放大倍數過高帶來的非線性誤差，放大電路采用兩級放大，其中可調電阻RP2用于調節放大電路的增益。溫度在O～+120 ℃變化，當溫度上升時，Ptl00阻值變大，輸入放大電路的差分信號變大，放大電路的輸出電壓對應地升高，輸出電流也相應變大。實際選用的R8阻值比PtlOO高很多，因此Ptl00阻值變化引起的測量電流變化不大，獲得近似恒流法的線性輸出。
3．3 電流電壓轉換電路
RCV420是美國B-B公司生產的一種精密電流電壓變換器，它能將4～20 mA的環路電流變換成O～5 V的電壓輸出。作為一種單片集成電路具有可靠的性能和很低的成本，除具有精密運放和電阻網絡外，還集成有10 V基準電壓源。在不需要外調整的情況下，可以獲得86 dB的共模抑制比和40 V的共模電壓輸入，在全量程范圍內，輸入阻抗僅有1．5 V的壓降，對于環路電流具有很好的變換能力。
4 實驗測試與結論
由于萬用表、溫度測試儀等測量工具存在誤差，很明顯，從上面的實驗數據分析，實驗斜率K1近似等于理論斜率，即在工業誤差(-0．5～+0．5 ℃)允許范圍內，實驗值等于理論值。該設計符合實際要求，如圖4所示。圖5給出實驗實物圖。
5 結語
在溫度測量系統中，Ptl00鉑熱電阻被密封在金屬棒中，這樣使得本溫度測量系統不但可以測量室內氣體溫度，還可以測量油缸內油溫、土壤、液體、種子等內的溫度，大大提高了溫度測量系統的適用范圍。采用Ptl00鉑熱電阻為溫度檢測元件，可有效降低開發成本，擴大應用。該變送器的電路設計簡單方便，實用性好，電路工作穩定、可靠性高。該產品已實際應用于空壓機專用變頻器溫度測量系統中，而且工作穩定可靠。