多種溫度傳感器信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

摘要：為了測(cè)量某試件多點(diǎn)溫度，且溫度跨度很大，還要達(dá)到要求精度，本文利用幾種不同類型的傳感器(AD590、PT1000和K型熱電偶)進(jìn)行采集，其輸出形式(電流源、電阻和熱電勢(shì))和大小均不相同，設(shè)計(jì)了電源電路、信號(hào)轉(zhuǎn)換電路和放大抬升電路，使各種傳感器的輸出達(dá)到統(tǒng)一的1～5 V的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)；在實(shí)驗(yàn)室利用高精度電壓、電流源和電阻箱分別對(duì)熱電偶、AD590和PT1000進(jìn)行模擬，結(jié)果表明該方法可行，調(diào)理電路的相對(duì)精度可達(dá)到0．1級(jí)。
關(guān)鍵詞：傳感器；信號(hào)調(diào)理；AD590；三線制PT1000；K型熱電偶

    某試驗(yàn)系統(tǒng)中要求測(cè)量被測(cè)試件不同部位的溫度變化梯度。試件頭部到尾部的理論溫度最大值依次為1100℃(1個(gè)測(cè)點(diǎn))、300℃(2個(gè)測(cè)點(diǎn))和100℃(3個(gè)測(cè)點(diǎn))。供電電壓12 V，要求輸出信號(hào)1～5 V，相對(duì)精度不低于0．5級(jí)，重量≤100 g。如果僅僅滿足一種溫度指標(biāo)要求，市面上的很多傳感器或變送器都能很好的滿足要求，若選擇一種傳感器意味著量程至少1 100℃，該傳感器用于測(cè)量100℃的測(cè)點(diǎn)就很難滿足精度，因此需選用不同類型的傳感器，然而考慮到重量后就很難選出合適的傳感器來(lái)，因此本文旨在一片電路板上完成多種傳感器的信號(hào)調(diào)理工作，該設(shè)計(jì)有較大的實(shí)際意義。

1 系統(tǒng)組成
    為了提高精度，根據(jù)被測(cè)溫度的大小選用量程接近該溫度的傳感器，3種不同溫度分別選擇不同傳感器如下。
    測(cè)量1100℃的傳感器用K型熱電偶，其測(cè)量范圍：-200～1300℃，能夠滿足要求。熱電偶的熱電勢(shì)是毫伏級(jí)的，0℃時(shí)輸出為0 V，1100℃輸出45．118 7 mV；該信號(hào)為幅值比較小，且冷端(自由端)不可能恒為0℃，所以需設(shè)計(jì)冷端補(bǔ)償電路和放大器。
    測(cè)量300℃的傳感器用Pt1000的鉑電阻，測(cè)量范圍：-50～300℃：0℃時(shí)電阻阻值1 000 Ω，300℃時(shí)電阻阻值2 120．515 Ω，反映溫度的物理量是電阻，因此需要設(shè)計(jì)電橋?qū)㈦娮璧淖兓哭D(zhuǎn)換位差模電壓的變換量，然后進(jìn)行信號(hào)放大和電平抬升。
    測(cè)量100℃的傳感器用AD590集成溫度傳感器，測(cè)量范圍：-50～150℃，該器件精度較高，全溫度范圍內(nèi)，非線性誤差僅為±0．3℃，可充當(dāng)一個(gè)高阻抗、恒流調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)系數(shù)為1μA／K，即該器件在273．15 K(0℃)時(shí)輸出273．15 μA電流，溫度每升高1℃電流增加1μA；反映溫度的是電流信號(hào)，因此需要將電流轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)后進(jìn)行信號(hào)放大和電平抬升。

2 電路設(shè)計(jì)
    調(diào)理電路主要由電源和各個(gè)放大器以及相應(yīng)的信號(hào)變換電路組成，下面分別對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行詳細(xì)論述。
2．1 電源電路
    電源電路是讓各個(gè)模塊正常工作，系統(tǒng)使用了兩路恒壓源，恒壓源分別為PT1000電橋電源(9 V)和輸出抬升電源(1 V)，9 V電源如圖1所示。1 V電源和9 V電源基本相同，只是部分參數(shù)不同。電源電路中的集成運(yùn)算放大器采用LM224，該芯片集成了4組運(yùn)算放大器，工作電源可為單電源(12V)。

    圖1中D2為穩(wěn)壓管，9V電源選用額定擊穿電壓為9．1 V的1N4696，1 V電源選用額定擊穿電壓為1．2 V的LM385；RW92是電位器，和穩(wěn)壓管并聯(lián)起到分壓的作用，滑動(dòng)頭分別可得到9 V和1 V的電壓；運(yùn)放在這里是電壓跟隨器，輸出電壓和電位器滑動(dòng)頭處的電壓大小相等；R92是限流電阻，和穩(wěn)壓管串聯(lián)；兩個(gè)電容是退耦電容，大小0．1 μF，起到穩(wěn)定電壓的作用。為了不影響穩(wěn)壓管工作電阻阻值不大于500 Ω，電阻功率不小于1 W。電位器阻值不小于10 kΩ。
2．2 ADS90調(diào)理電路
    AD590是集成溫度傳感器，輸出為電流，相當(dāng)于恒流源，若要對(duì)此進(jìn)行放大需先轉(zhuǎn)換為電壓，可在其回路串入電阻，根據(jù)歐姆定律，電阻上電壓的大小可反映電流的大小，也就是溫度的高低。圖2是溫度傳感器AD590的信號(hào)調(diào)理變換電路。

    圖2中R11是采樣電阻，阻值10 kΩ，精度1‰；0 ℃時(shí)傳感器輸出電流273．15μA，電阻上的電壓2．731 5 V；100 ℃時(shí)傳感器輸出電流373．15 μA，電阻上的電壓3．731 5 V；由于溫度為0℃時(shí)傳感器器輸出不是0，因此放大前應(yīng)先減去該零點(diǎn)電壓，該電壓常量見(jiàn)圖中VRef，由9V利用電位器RW11分壓后獲得，大小為2．731 5 V；0℃時(shí)運(yùn)放輸入差分電壓(Vin-VRef)為0 V。圖中U1為儀表放大器，選用AD623，單電源
供電，增益1～1 000，其結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，只需調(diào)節(jié)一個(gè)電阻RG即可改變?cè)鲆?，Vo=(1+100kΩ／RG)(V+～V-)，輸出信號(hào)基準(zhǔn)電平可以在一定范圍內(nèi)任意給定(利用5腳REF端)。

    運(yùn)放輸入電壓Vin范圍2．731 5～3．731 5 V，減去基準(zhǔn)后0～1 V(峰峰值1 V)，放大后要求輸出電壓1～5V(峰峰值4V)，因此放大器的放大倍數(shù)為4，調(diào)節(jié)1腳和8腳之間的電阻RG(圖2中的R12和RW12)可改變放大倍數(shù)；運(yùn)放5腳輸入1 V的電壓基準(zhǔn)，即在0℃時(shí)運(yùn)放輸入為0 V(Vin～VRef)，輸出為1 V(對(duì)地)，100℃時(shí)輸出5 V，圖2中電容為退耦電容或?yàn)V波電容，大小0．1μF。
2．3 PT1000調(diào)理電路熱
    市面上的PT1000根據(jù)接線形式有兩線制、三線制接法和四線制，四線制精度最高，兩線制最低，三線制介于兩者之間，鑒于精度要求和連線的復(fù)雜程度而選用三線制，采用三線制形式；這種連線方式可以去除導(dǎo)線電阻帶來(lái)的零點(diǎn)不準(zhǔn)確。
    三線制PT1000的一端有一根出線，另一端有兩根出線，連線如圖4所示。圖中藍(lán)線接電源，紅線和PT1000組成電橋的一個(gè)橋臂，綠線、WR41和R43組成另一個(gè)橋臂；2個(gè)橋臂中均引入了長(zhǎng)度幾乎相同的導(dǎo)線(綠線和紅線)，溫度變化時(shí)2個(gè)橋臂引線電阻同時(shí)增加或同時(shí)減小，而電橋零點(diǎn)不受影響，這樣就提高了精度。
    圖4中WR41是調(diào)零電位器；電橋的輸出直接連接運(yùn)放AD623，其連接和調(diào)節(jié)增益方法和上節(jié)中相同這里不再介紹。調(diào)試時(shí)PT1000用電阻箱實(shí)現(xiàn)的，阻值由分度表獲得的。

2．4 電偶調(diào)理電路
    熱電偶測(cè)溫的基本原理是2種不同成份的材質(zhì)導(dǎo)體組成閉合回路，當(dāng)兩端存在溫度梯度時(shí)，回路中就會(huì)有電流通過(guò)，此時(shí)兩端之間就存在電動(dòng)勢(shì)——熱電動(dòng)勢(shì)。溫度較高的一端為工作端，溫度較低的一端為冷端(自由端)，冷通常處于某個(gè)恒定的溫度下。若測(cè)量時(shí)，冷端的溫度變化，將嚴(yán)重影響測(cè)量的準(zhǔn)確性。因此采取一定措施補(bǔ)償由于冷端溫度變化造成的影響稱為熱電偶的冷端補(bǔ)償。

    本設(shè)計(jì)采用晶體管PN結(jié)溫度特性進(jìn)行冷端補(bǔ)償，冷端補(bǔ)償電路和熱電偶串聯(lián)，如圖5所示。圖中T為熱電偶，其他為冷端補(bǔ)償電路，晶體管選用三極管9012，其電壓溫度變化率約為-2．1 mV／℃，3個(gè)電阻、電位器和PNP三極管組成電橋。當(dāng)冷端溫度升高時(shí)，PN結(jié)壓降降低，WR81滑動(dòng)頭電勢(shì)降低，WR82和R83中間電勢(shì)不變，電橋輸出增大，補(bǔ)償了熱電偶冷端的溫漂，當(dāng)溫度降低則相反。電路的輸出直接連在運(yùn)放AD623的輸入端。

3 結(jié)論
    文中針對(duì)幾種不同類型的溫度傳感器(ADS90、PT1000和K型熱電偶)，設(shè)計(jì)了電源電路、信號(hào)轉(zhuǎn)換電路和放大抬升電路，使各種傳感器的輸出達(dá)到統(tǒng)一的1～5 V的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)；并在實(shí)驗(yàn)室利用高精度電壓、電流源和電阻箱分別對(duì)熱電偶、AD590和PT1000進(jìn)行了模擬，結(jié)果表明，調(diào)理電路的相對(duì)精度可達(dá)到0．1級(jí)，連接傳感器后能達(dá)到0．5％的不確定度；重量為55 g達(dá)到了預(yù)期的效果。