多種溫度傳感器信號調理電路設計

兀 偉，王航宇

（1.西安工業大學 電子信息工程學院，陜西 西安 710032；2.西安航空職業技術學院 電子工程系，陜西 西安 710089）

某試驗系統中要求測量被測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1 100℃（1個測點）、300℃（2個測點）和 100℃（3個測點）。供電電壓12 V，要求輸出信號1～5 V，相對精度不低于0.5級，重量≤100 g。如果僅僅滿足一種溫度指標要求，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℃，該傳感器用于測量100℃的測點就很難滿足精度，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，因此本文旨在一片電路板上完成多種傳感器的信號調理工作，該設計有較大的實際意義[1]。

1 系統組成

為了提高精度，根據被測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[2-4]。

測量1 100℃的傳感器用K型熱電偶，其測量范圍：-200～1 300℃，能夠滿足要求。熱電偶的熱電勢是毫伏級的，0℃時輸出為0 V，1 100℃輸出45.118 7 mV；該信號為幅值比較小，且冷端（自由端）不可能恒為0℃，所以需設計冷端補償電路和放大器。

測量300℃的傳感器用Pt1000的鉑電阻，測量范圍：-50～300℃；0℃時電阻阻值 1 000 Ω，300℃時電阻阻值2 120.515 Ω，反映溫度的物理量是電阻，因此需要設計電橋將電阻的變化量轉換位差模電壓的變換量，然后進行信號放大和電平抬升。

測量100℃的傳感器用AD590集成溫度傳感器，測量范圍：-50～150℃，該器件精度較高，全溫度范圍內，非線性誤差僅為±0.3℃，可充當一個高阻抗、恒流調節器，調節系數為1 μA/K，即該器件在 273.15 K （0 °C）時輸出 273.15 μA 電流，溫度每升高1℃電流增加1 μA；反映溫度的是電流信號，因此需要將電流轉換成電壓信號后進行信號放大和電平抬升。

2 電路設計

調理電路主要由電源和各個放大器以及相應的信號變換電路組成，下面分別對各個模塊進行詳細論述。

2.1 電源電路

電源電路是讓各個模塊正常工作，系統使用了兩路恒壓源，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，只是部分參數不同。電源電路中的集成運算放大器采用LM224，該芯片集成了4組運算放大器，工作電源可為單電源（12 V）。

圖1 恒壓源電路圖Fig.1 Constant voltage source circuit

圖1中D2為穩壓管，9 V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，和穩壓管并聯起到分壓的作用，滑動頭分別可得到9 V和1 V的電壓；運放在這里是電壓跟隨器，輸出電壓和電位器滑動頭處的電壓大小相等；R92是限流電阻，和穩壓管串聯；兩個電容是退耦電容，大小0.1 μF，起到穩定電壓的作用。為了不影響穩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 AD590調理電路

AD590是集成溫度傳感器，輸出為電流，相當于恒流源，若要對此進行放大需先轉換為電壓，可在其回路串入電阻，根據歐姆定律，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的信號調理變換電路[5]。

圖2 AD590信號調理變換電路Fig.2 AD590 signal conditioning conversion circuit

圖2中R11是采樣電阻，阻值 10 kΩ，精度 1‰；0°C時傳感器輸出電流273.15 μA，電阻上的電壓2.731 5 V；100°C時傳感器輸出電流373.15 μA，電阻上的電壓3.731 5 V；由于溫度為0°C時傳感器器輸出不是0，因此放大前應先減去該零點電壓，該電壓常量見圖中VRef，由9 V利用電位器RW11分壓后獲得，大小為2.731 5 V；0°C時運放輸入差分電壓（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，其結構圖如圖3所示，只需調節一個電阻 RG即可改變增益，VO=（1+100 kΩ/RG）（V+-V-），輸出信號基準電平可以在一定范圍內任意給定（利用5腳REF端）。

運放輸入電壓Vin范圍2.731 5～3.731 5 V，減去基準后0～1 V（峰峰值 1 V），放大后要求輸出電壓 1～5 V（峰峰值 4 V），因此放大器的放大倍數為4，調節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；運放5腳輸入1 V的電壓基準，即在0°C時運放輸入為0 V（Vin-VRef），輸出為1 V（對地），100°C時輸出5 V，圖2中電容為退耦電容或濾波電容，大小 0.1 μF。

圖3 AD623原理結構圖Fig.3 AD623 schematic block diagram

2.3 PT1000調理電路熱

市面上的PT1000根據接線形式有兩線制、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線電阻帶來的零點不準確。

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。圖中藍線接電源，紅線和PT1000組成電橋的一個橋臂，綠線、WR41和R43組成另一個橋臂；2個橋臂中均引入了長度幾乎相同的導線（綠線和紅線），溫度變化時2個橋臂引線電阻同時增加或同時減小，而電橋零點不受影響，這樣就提高了精度。

圖4 PT1000信號采集調理電路Fig.4 PT1000 signal acquisition and conditioning circuit

圖4中WR41是調零電位器；電橋的輸出直接連接運放AD623，其連接和調節增益方法和上節中相同這里不再介紹。調試時PT1000用電阻箱實現的，阻值由分度表獲得的。

2.4 電偶調理電路

熱電偶測溫的基本原理是2種不同成份的材質導體組成閉合回路，當兩端存在溫度梯度時，回路中就會有電流通過，此時兩端之間就存在電動勢——熱電動勢。溫度較高的一端為工作端，溫度較低的一端為冷端（自由端），冷通常處于某個恒定的溫度下。若測量時，冷端的溫度變化，將嚴重影響測量的準確性。因此采取一定措施補償由于冷端溫度變化造成的影響稱為熱電偶的冷端補償[6]。

本設計采用晶體管PN結溫度特性進行冷端補償，冷端補償電路和熱電偶串聯[7]，如圖5所示。圖中T為熱電偶，其他為冷端補償電路，晶體管選用三極管9012，其電壓溫度變化率約為-2.1 mV/°C，3個電阻、電位器和PNP三極管組成電橋。當冷端溫度升高時，PN結壓降降低，WR81滑動頭電勢降低，WR82和R83中間電勢不變，電橋輸出增大，補償了熱電偶冷端的溫漂，當溫度降低則相反。電路的輸出直接連在運放AD623的輸入端。

圖5 K型熱電偶及冷端補償電路Fig.5 K-type thermocouple and cold junction compensation circuit

3 結 論

文中針對幾種不同類型的溫度傳感器（AD590、PT1000和K型熱電偶），設計了電源電路、信號轉換電路和放大抬升電路，使各種傳感器的輸出達到統一的1～5 V的標準信號；并在實驗室利用高精度電壓、電流源和電阻箱分別對熱電偶、AD590和PT1000進行了模擬，結果表明，調理電路的相對精度可達到0.1級，連接傳感器后能達到0.5%的不確定度；重量為55 g達到了預期的效果。

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