LM331V/F轉(zhuǎn)換器在礦用溫度傳感器中的應(yīng)用

賈永康

（淮南市計量測試研究所，安徽 淮南 232007）

1 礦用溫度傳感器概述

ALS-1型礦用溫度傳感器為本質(zhì)安全型（電氣設(shè)備的一種防爆型式，它將設(shè)備內(nèi)部和暴露于潛在爆炸性環(huán)境的連接導(dǎo)線可能產(chǎn)生的電火花或熱效應(yīng)能量限制在不能產(chǎn)生點燃的水平。）儀器，適用于煤礦井下具有煤塵、瓦斯爆炸危險場所，主要用于測量煤礦井下的環(huán)境溫度，以便及時發(fā)現(xiàn)火災(zāi)隱患，也可以對電機(jī)、皮帶機(jī)、滾筒或其它部位進(jìn)行超溫監(jiān)測。該產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計合理、檢測準(zhǔn)確、性能穩(wěn)定、安裝維護(hù)方便。

測溫敏感元件采用HP35H線性溫度傳感器，它是采用美國NS芯片設(shè)計的線性正溫度系數(shù)（簡稱PTC）溫度傳感器，其輸出電壓變化量與溫度成線性關(guān)系，并按+10mV/℃與攝氏溫度一一對應(yīng)，可采用單電源工作，使用極為方便。

主要技術(shù)指標(biāo)：

防爆型式：礦用本質(zhì)安全型

工作電壓：12V.DC；

工作電流：小于20mA；

測溫范圍：20～100℃；

測量準(zhǔn)確度：±1.0℃；

輸出信號：200—1000Hz頻率量。

輸出信號傳輸距離：2km

工作環(huán)境溫度：-10～40℃

工作環(huán)境濕度:：≤95﹪

外形尺寸：125×105×45mm

2 V/F轉(zhuǎn)換器LM331

LM331為單片機(jī)V/F轉(zhuǎn)換器，電源電壓范圍較寬 (4V～20V)；最大非線性失真小于0.01%，工作頻率低到0.1Hz時尚有較好的線性；變換準(zhǔn)確度高，數(shù)字分辨率可達(dá)12位；外接電路簡單，只需接入幾個外部元件就可方便構(gòu)成V/F或F/V等變換電路，并且容易保證轉(zhuǎn)換準(zhǔn)確度。

其引腳排列如圖1所示[1]。

各引腳設(shè)置如下：

（1）1腳：IO,電流輸出端。它是內(nèi)部一個精密電流源的輸出端,該腳流出的電流為基本電路中的CL充電。

（2）2腳:IS，參考電流。該引腳由內(nèi)部的一個電流泵提供50μA～500μA的電流,該端外接一個電阻RS到地,實際應(yīng)用時取4kΩ～150kΩ 可調(diào)。

（3）3腳:fout，脈沖頻率輸出端。輸入電壓經(jīng)過V/F轉(zhuǎn)換后矩形波由此輸出,其內(nèi)部是一個晶體管的集電極,且為集開路輸出,因此外部必須接有上拉電阻到正電源。

（4）4腳:GND，接地端。

（5）5腳:R/C，外接定時電阻Rt和定時電容Ct，它們是內(nèi)部單穩(wěn)態(tài)定時電路的定時元件。

（6）6腳:UT，閾值電壓。該端是內(nèi)部一個比較器的反相輸入端,該端電壓與7腳的輸入電壓Uin比較，并根據(jù)比較結(jié)果啟動內(nèi)部的單穩(wěn)態(tài)定時電路。

（7）7腳:Uin，被測電壓輸入端。

（8）8 腳:Ucc，電源正端(+5V～+15V)。

3 LM331在溫度傳感器中的應(yīng)用

由HP35H與LM331組成的溫度傳感器原理圖如圖2所示[2]。IC1為線性正溫度系數(shù)的敏感元件，供電電壓為5V，在測溫范圍為0～+100℃時輸出電壓為 0～1V。現(xiàn)在通過LM331芯片將0～1V電壓量轉(zhuǎn)換為0～1000Hz頻率量。

LM331輸入電壓和輸出頻率的關(guān)系為[3]：fo=Vin×(R4+RW)/(2.09×R2×R3×C3)。由此知電阻R2、R3、R4、和C3直接影響轉(zhuǎn)換結(jié)果f0，因此對元件的準(zhǔn)確度要有一定的要求，可根據(jù)轉(zhuǎn)換準(zhǔn)確度適當(dāng)選擇。電阻R1和電容C1組成低通濾波器，可減少輸入電壓中的干擾脈沖，有利于提高轉(zhuǎn)換準(zhǔn)確度。

4 應(yīng)用LM331V/F優(yōu)點

LM331采用了新的溫度補(bǔ)償能隙基準(zhǔn)電路，在整個工作溫度范圍內(nèi)和低到4.0V電源電壓下都有極高的準(zhǔn)確度。LM331的動態(tài)范圍寬，可達(dá)100dB；線性度好，最大非線性失真小于0.01%，工作頻率低到0.1Hz時尚有較好的線性;變換準(zhǔn)確度高，數(shù)字分辨率可達(dá)12位；外接電路簡單，只需接入幾個外部元件就可方便構(gòu)成V/F或F/V等變換電路，并且容易保證轉(zhuǎn)換準(zhǔn)確度。

通過傳感器將被測量轉(zhuǎn)換為電壓，經(jīng)運算放大器放大為0～10V電壓信號，由LM331進(jìn)行V/F變換為脈沖信號，通過長雙絞線傳輸?shù)綔y量室，在測量室內(nèi)通過光電耦合器轉(zhuǎn)換為幅量室而造成的線路衰減或干擾，提高測量準(zhǔn)確度。

當(dāng)前，12位以上的A/D轉(zhuǎn)換器的價格仍較昂貴，用V/F變換器來代替A/D轉(zhuǎn)換器，在要求速度不太高的場合是一種較好的選擇。從傳感器來的毫伏級的電壓信號經(jīng)低溫漂運算放大器INA101放大到0～10V后加到V/F變換器LM331的輸入端，從頻率輸出端f0輸出的頻率信號加到單片機(jī)8031的輸入端T1上。根據(jù)分辨率的要求利用軟件處理，最后得到A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果。

結(jié)語

通過試驗分析，應(yīng)用LM331的A/D轉(zhuǎn)換電路，在運行中穩(wěn)定性好，在實際應(yīng)用中要通過調(diào)試選擇好器件參數(shù)，可以準(zhǔn)確的實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換，并且準(zhǔn)確度高，抗干擾能力強(qiáng)，具有頻率量輸出的溫度傳感器很容易將溫度信號輸送給煤礦井下各種控制器。

[1]李建新，李聚春.由LM331構(gòu)成單片機(jī)F/V精密數(shù)據(jù)采集電路 [J].湖北教育學(xué)院學(xué)報，2007，24(8):50-52.

[2]張富景，葉家瑋.F/V轉(zhuǎn)換器在船模試驗水池拖車控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2008，(7)：131-132.

[3]何獻(xiàn)忠，凌云.基于LM331和單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集控制[J].機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2006，19(6)：146-147.