基于 PT100 铂热电阻温度传感器设计

摘 要 PT100 铂热电阻是常见的温度测量工具，其阻值会随温度的变化而改变，被广泛应用于工业过程温度参数的测量和控制。设计基于 PT100 铂热电阻的温度传感器，根据周围温度的变化改变铂热电阻大小，通过电路输出对应的电压信号，加入预设值比较电路，可以将当前温度是否超出范围进行报警。

关键词 PT100 铂热电阻；电桥；NE5532 芯片；放大电路；比较电路

1 引言

温度传感器被广泛应用于工业、农业生产、科学研究

等领域 [1]，为提高生产效率，对温度参数测量的快速性和准确性提出更高的要求。本文设计基于 PT100 铂热电阻的温度传感器，具有精度高、线性好、响应时间短等特点。

2 电路设计

基于 PT100 铂热电阻温度传感器由两部分组成：PT100

铂热电阻传感器和信号转换器。通过 PT100 铂热电阻测量温度，经过 NE5532 芯片和多个元器件的组合来达到信号转换、放大输出一个模拟电压信号；后面再入加比较电路， 对当前值与设定值进行比较，超出时进行报警。设计框图如图 1 所示。

图1

图2

与普通型热电阻相比，PT100 铂热电阻的特点包括：热

惯性上测量滞后小；机械性能好、耐振，能弯曲，便于安装； 使用寿命长。因此，PT100 铂热电阻是研究中比较理想的测温电子元件。

PT100 铂电阻 RT 曲线图如图 2 所示。当在 0 ℃的时候， PT100 的阻值为 100 Ω，它的阻值会随着温度的上升而匀速增长，在 100 ℃时，它的阻值约为 138.5 Ω。它的阻值跟温度的变化成正比，但不是简单的正比的关系，而更应该趋近于一条抛物线 [2]。

NE5532 是高性能低噪声双运算放大器（双运放）集成电路。与很多标准运放相似，但它具有更好的噪声性能， 优良的输出驱动能力及相当高的小信号带宽，电源电压范围大等特点。本文中将用它来构成电桥电路、放大电路和比较电路。运用 NE5532 芯片的 PT100 铂热电阻温度传感器电路图如 3 所示。

图3

在图 3 所示电路中，电桥电路由 R2、R3、R9 和 PT100 电阻组成。为了防止电路电流过大而导致PT100 损坏，为保护电路，R2=R3=13 KΩ。因为 PT100 的小电阻值为 100 Ω（即 0 ℃下的电阻值），为了使 A、B 两点的电压差小，根据铂热电阻的分度表，取 R=96.09 Ω 或者 92.16 Ω 才是合适的，然而现实中zui的只有 R=91 Ω 的电阻，所以取R9=91 Ω，这样有利于减小误差。由图可得到 A、B 两点电压及电桥输出（A、B 两点电压差）分别为：

其中 UA 的值随工作环境温度的变化而变化。UA、UB 为后面放大电路的输入电压。利用由 R1、R5、R7、R10 和NE5532 芯片组成求差放大电路，该基本减法电路的输出电压为：

其放大倍数为：

输出 C 点后面加入电压比较电 路，由 R4、R11 和NE5532 芯片组成。比较 NE5532 运放输入端 5 脚和 6 脚间的电压大小，当 UC ＞ UD 时，即测量温度大于设定温度时， 输出电压 UE 为 12 V，此时 LED 灯亮，进行报警。这里可调电阻 R4 的作用是设置电压预值，通过改变 R4 就可以改变D 点电压进行电压预设；R6 起的是限流和隔离作用，使左右两边的电路不受干扰；C1 起的是滤波作用。

1 测试结果

根据设计焊接完成的电路，测量温度 30 ～ 100 ℃对应

的电阻值的数据记录如表１所示。

通过 GRAPH 软件，根据实测值及利用 PT100 标准分度表制作的函数图如图４所示。其中，红色线为实际的测量数据，蓝色为标准分度表，两者比较符合（说明：上方为红色线，下方为黑色线）。

在此采用分度表上的数据进行公式计算，得出：

结合式 3、4 得出通过电路放大后，输出电压 UC 与温度间的关系式为：

这里输入电源电压 VCC=5 V，K=100，R2=R3=13 000 Ω，

R9=91 Ω，则式 6 为：

结语

基于PT100 铂热电阻的温度传感器结构简单，成本低，性能稳定，是比较理想的温度数据采集器。工业生产过程中结合工控机可达到温度采集、加热冷却等控制功能。