基于XTR105和TIP31C的气温传感器

摘  要：本文介绍了基于BB公司的自带传感器激励源和内置线性化电路的4~20mA变送器XTR105集成芯片的气温传感器的制作与标定。该气温传感器具有结构简单、可靠性高、调试方便、测温范围广、精度高、传输距离远等优点。

关键词：XTR105、铂电阻、气温传感器、温度传感器标定。

文章编号：1006-883X（2002）07-0031-04  文献标识码：A

一、前言

气象观测为天气预报和气象科学研究提供准确的情报和资料。随着电子技术及计算机技术的发展，气象资料观测也由早期的人工观测发展为仪器自动观测与记录处理。在自动化气象观测仪器中，各种传感器如气温、湿度、气压、风速风向、雨量等传感器的精度与可靠性指标是极为重要的。随着新器件、新技术的出现，各种气象传感器也在被不断地改进与完善。气温传感器也由早期的模拟电路式发展到现在的集成电路式传感器。为了提高传感器的测量精度和可靠性，采用新的集成器件是好的途径。

XTR105是BB（BURR -BROWN）公司生产的自带传感器激励源和内置线性化电路的4~20mA变送器。XTR105可直接与铂电阻相连构成温度传感器，我们据此设计制作了基于XTR105的气温传感器，此气温传感器具有较高的测量精度和可靠性。

二、传感器结构

传感器设计中，传感器的外型封装是极为重要的，直接影响着测量的精度和工作的稳定性。

我们设计的温度传感器的外型封装如图1所示。整个气温传感器由温度探头铂电阻、控制线路、外壳、密封接线口等部分组成。铂电阻采用不锈钢封装，不锈钢外壳应与铂电接触良好以保证良好的导热性。为提高系统的抗干扰能力，不锈钢外壳与传输线的屏蔽层相连。

实际安装应用时，为保证测量温场的均匀，铂电阻探头放置于百叶箱内，如图2。

三、工作原理及电路设计

我们设计制作的气温传感器属于电阻式温度传感器。电阻式温度传感器是利用导体或半导体的电阻值随温度变化而变化的特性来测量温度的。由于铂电阻的性能非常稳定，测量精度高，所以在高精度的温度测量和标准测温装置中常使用由铂电阻构成的温度传感器。PT100铂电阻的测温范围为-200°C ~850°C，其阻值与温度的关系为：

(1)- 200°C < T≤0°C时，
R(T)=100´ [1+3.90802´10^-3T
-0.5802´10^-6T²
-4.27350´10^-12(T-100)T³ ] (1)
(2)0°C < T < 850°C时，
R(T) = 100(1+3.90802´10^-3T
-0.5802´10^-6T² ）   (2)
由此可见铂电阻阻值的温度特性存在非线性，这影响了温度测量的精度。

XTR105集成芯片（其引脚排列如图3）通过I_R1（Pin 1）、I_R2（Pin 14）引脚提供两路800mA的精密电流源来激励外接的铂电阻。内置的线性化电路对铂电阻温度特性的非线性进行矫正，可达到40：1的改善。片内仪表放大器增益可通过接在Pin3与Pin4间的外部电阻R_G调节以适应不同的温度或压力测量范围。芯片通过电流环路供电，具有极宽的电源范围，可工作在7.5V~36V。XTR105输出为电流信号，可进行远距离传输。由于XTR105具有的这些优点，我们在气温传感器的设计中选用了它。

使用XTR105构成温度测量电路可采用二线制、三线制及四线制，三线制及四线制适合于测温铂电阻距离芯片距离较远的场合。我们选用铂电阻与XTR105就近连接的方案，故采用二线连接方式，电路原理图如图4。

说明：R_Z、R_G、R_LIN1取值计算（设温度测量范围为T_MIN~T_MAX ）

①    R_Z = RTD 在测温范围下限T_MIN 时的电阻值

②   

③       
其中：

R₁ = RTD 是在 温度时的电阻值

R₂ = RTD 是在测温上限T_MAX 时的电阻值

R_LIN = 1kW（内部）

我们实际项目要求的温度测量范围为 - 25°C~45°C，测量精度为 ±0.2°C，传输电缆为50m。

电路参数的计算：

根据项目要求知：
T_min=- 25°C
T_max = 45°C 
= 10°C
由铂电阻阻值计算公式(1)、(2)：
R（T_min）≈90.193
R（T_max）≈117.469
R ( )≈103.902
即R₁ = 103.902  R₂ = 117.469
根据二线连接方式下R_Z、 R_G、 R_LIN1的计算公式可得：
R_Z = 90.19W、R_G = 57.01W、
R_LIN1 = 47.77kW
RTD选用阻值R₀ =（100 ±0.1）W、允差为A级的铂电阻。R_Z选用100W的精密线绕电位器，将其阻值调至90.19W附近，R_G 选用精度为±0.02%的精密电阻，R_LIN1选用普通47kW电阻。Q₁选用TIP31C。1N4148接成的桥路可保证XTR105的电源极性不反接，稳压值为36V的稳压管（如1N4753A、1N6286A等）可对电源浪涌进行抑制，使加到芯片的电压限制在36V以内，对电路进行保护。0.01mF的电容可降低高频干扰。电路板在制作完成后需做三防处理。

四、气温传感器的调试与标定
1、调试
我们实际调试中发现，铂电阻温度特性在经过XTR105矫正后的非线性误差很小，可以只根据一点的温度值及输出量进行调整。气温传感器安装完成后，将探头放置于-25°C的恒温酒精槽中，使用24V供电，在供电回路中串入精密电流表。调节R_Z使输出电流为4mA。

2、标定

将铂电阻气温传感器和标准温度表置于恒温槽中，当标准温度表稳定为t_s（温度实际值）后，在同一试验点连续测量三次气温传感器的输出电流值，同时计算对应的温度值t_i（温度测定值），取其三次的算术平均值作为该点的测定值t_i。误差Dt =（t_i - t_s）的值应满足±0.2°C的要求。试验点不少于8个。

3、温度传感器热时间常数检查

响应时间是温度传感器的一个重要参数，它反映了测温传感器的滞后能否适应测温要求。响应时间通常用时间常数表示，它是选择传感器的一个基本依据。一般的，温度热时间常数是指一个物体的温度从温度T₁变到温度T₂的63.2%所需要的时间。

在烘箱外附近空间选择适当一点，将铂电阻温度传感器和风速表置于该位置，开动电风扇并调节位置使该点处的风速为（3±0.3）m/s，测出该点的初始温度t₂，t₂应在10~30°C之间。将该铂电阻温度传感器放入烘箱内，以0.7~1°C /min的速率加温至t₁ = t₂+15°C后，再继续加温5~10°C，取出并尽快置于烘箱外的已选择点的位置并保持该点风速(3±0.3)m/s，当温度降至t₁时开始用秒表计时，降至t₂ +0.5(t₁-t₂)时停表，秒表所计t_0.5（铂电阻温度阶跃50%时的时间）的值应满足要求，如我们要求的t_0.5<80s。

五、实验结果

我们设计制作的气温传感器经国家海洋局北海标准计量中心标定符合项目要求的温度测量范围（-25°C~45°C）和测量精度(±0.2°C)。此气温传感器已在中国海洋环境监测系统的志愿船自动测报仪中使用，使用效果良好。

六、结论

基于XTR105的气温传感器具有结构简单、可靠性高、调试方便、测温范围广、精度高、传输距离远等优点，有一定的推广使用价值。

依据同样电路原理也可用于水温传感器的制作，不同的是水温传感器在外型封装上应注意密封防水。

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