我們已經(jīng)討論過多種溫度檢測方式，但我們尚未關(guān)注熱電阻溫度檢測，但熱電阻測溫在工業(yè)環(huán)境中是非常常見的。盡管有很多集成的數(shù)字式的熱電阻接口元器件，但這些器件不但成本較高，靈活性也大打折扣。所以我們有時(shí)會(huì)使用更簡單靈活的電路來驅(qū)動(dòng)RTD。而在這一篇中，我們將討論如何設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)RTD熱電阻測溫的驅(qū)動(dòng)。

1、功能概述

??RTD熱電阻是常用的測溫元件。RTD的英文全稱為“Resistance Temperature Detector”，因此準(zhǔn)確來說，它應(yīng)該翻譯為“電阻溫度檢測器”。RTD是一種特殊的電阻，其阻值會(huì)隨著溫度的升高而變大，隨著溫度的降低而減小。工業(yè)上利用它的這一特性進(jìn)行溫度測量，因此RTD也被俗稱為“熱電阻”。

??并不是所有的金屬都適合做成RTD，符合這一特性的材料需要滿足如下幾個(gè)要求：

• 該金屬的電阻值與溫度變化能呈線性關(guān)系；
• 該金屬對溫度的變化比較敏感，即單位溫度變化引起的阻值變化（溫度系數(shù)）比較大；
• 該金屬能夠抵抗溫度變化造成的疲勞，具有好的耐久性；

??符合該要求的金屬并不多，常見的RTD材料有：鉑（Pt）、鎳（Ni）和銅（Cu）。對應(yīng)的國家統(tǒng)一生產(chǎn)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化熱電阻有三種：WZP型鉑電阻、WZC型銅熱電阻和WZN型鎳熱電阻。

1.1、鉑熱電阻

??鉑電阻是我們常用的RTD，鉑熱電阻采用溫度系數(shù)為3.885x10-3的元件，溫度和電阻的關(guān)系表達(dá)式：

??在-200℃~0℃為：

??在0℃~850℃為：

??其中：Rt溫度為t℃時(shí)的電阻；R0是溫度為0℃時(shí)的電阻。而各個(gè)系數(shù)均為常數(shù)：

??常數(shù)A=3.9083×10-3

??常數(shù)B=-5.775×10-7

??常數(shù)C=-4.183×10-12

??鉑熱電阻對應(yīng)的測溫范圍是：-200℃~850℃。常見的型號(hào)Pt50、Pt100、Pt200、Pt500和Pt1000等。名稱中的數(shù)值表示熱電阻在0℃下的標(biāo)稱電阻值。

1.2、銅熱電阻

??銅熱電阻也是在工業(yè)上常用的RTD，銅熱電阻采用溫度系數(shù)為：4.28x10-3的元件。溫度和電阻的關(guān)系表達(dá)式：

??其中，Rt是溫度為t℃時(shí)的電阻，R0是溫度為0℃時(shí)電阻，而各個(gè)系數(shù)長數(shù)的取值為：

??常數(shù)α=4.28x10-3

??常數(shù)β=-9.31x10-8

??常數(shù)γ=1.23x10-9

??銅熱電阻對應(yīng)的測溫范圍是：-50℃~150℃。而常見的分類型號(hào)有：Cu50、Cu100等。名稱中的數(shù)值表示熱電阻在0℃下的標(biāo)稱電阻值。

1.3、鎳熱電阻

??另一種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)RTD則是鎳熱電阻。鎳熱電阻采用溫度系數(shù)為6.17x10-3的元件。溫度和電阻的關(guān)系表達(dá)式：

??其中，Rt是溫度為t℃時(shí)的電阻，R0是溫度為0℃時(shí)電阻，而各個(gè)系數(shù)長數(shù)的取值為：

??常數(shù)A=5.485x10-3

??常數(shù)B=6.65x10-6

??常數(shù)C=2.805x10-11

??鎳電阻對應(yīng)的測溫范圍是：-60℃~180℃。而常見的分類型號(hào)有：Ni100、Ni300、Ni500等。名稱中的數(shù)值表示熱電阻在0℃下的標(biāo)稱電阻值。

2、驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

??我們已經(jīng)了解了RTD的特性，以及不同材質(zhì)的RTD溫度與點(diǎn)組的關(guān)系表達(dá)式。接下來我們就實(shí)現(xiàn)通過RTD檢測溫度的驅(qū)動(dòng)。

2.1、對象定義

??在實(shí)現(xiàn)RTD的驅(qū)動(dòng)之前，我們依然需要抽象并定義RTD對象，并將其聲明為對象類型。

2.1.1、對象的抽象

??在實(shí)現(xiàn)對RTD的操作之前，我們先抽象RTD對象。每一個(gè)RTD對象都有幾個(gè)共同的屬性：標(biāo)稱電阻，溫度和類型。類型就是前面所描述的三種，我們將其定義為枚舉。對象的聲明如下：

/* 定義RTD類型枚舉 */
typedef enum RTDCategory {
    WZP，
    WZC，
    WZN
}RTDCategoryType;

/* 定義RTD對象 */
typedef struct RTDObject{
    float nominalR;     //RTD標(biāo)稱電阻
    float temperature;       //所測溫度
    RTDCategoryType type; //RTD類型
}RTDObjectType;

2.1.2、對象的初始化

??聲明一個(gè)RTD對象后，僅僅只是聲明了一個(gè)對象變量，在賦值之前尚不能使用。所以我們要使用初始化函數(shù)將其初始化之后才可使用。RTD對象的初始化函數(shù)如下：

/* 初始化RTD對象 */
void RTDInitialization(RTDObjectType *rtd，RTDCategoryType type，float nr)
{
    if(rtd==NULL)
    {
       return;
    }
   
    rtd->type=type;
    rtd->nominalR=nr;
}

2.2、對象操作

??前面我們已經(jīng)提到了各類熱電阻的電阻與溫度的關(guān)系表達(dá)式。在這些表達(dá)式中，二次以上的項(xiàng)的系數(shù)其實(shí)是非常小的，所以在一般要求不高，溫度變化不是很大的場合基本就是線性關(guān)系。所以我們將其簡化為線性方程：

2.2.1、WZP鉑電阻

??鉑電阻的溫度與電阻的關(guān)系在0度以上和0度以下略有差別，但如果我們采用線性近似的話則是一樣的。所以我們采用線性方程實(shí)現(xiàn)如下：

/* 計(jì)算鉑電阻溫度 */
static float CalcWzpTemperature(RTDObjectType *rtd，float rt)
{
float temp=0.0;
float a=0.0039083;
   
temp=((rt/rtd->nominalR)-1.0)/a;
rtd->temperature=temp;
   
return temp;
}

2.2.2、WZC銅電阻

??銅電阻的溫度與電阻的關(guān)系表達(dá)式相對復(fù)雜，但好在高次項(xiàng)的影響相對較小，我們依然可以使用線性近似來實(shí)現(xiàn)它。

/* 計(jì)算銅電阻溫度 */
static float CalcWzcTemperature(RTDObjectType *rtd，float rt)
{
float temp=0.0;
float alpha=0.00428;
   
temp=((rt/rtd->nominalR)-1.0)/alpha;
rtd->temperature=temp;
   
return temp;
}

2.2.3、WZN鎳電阻

??鎳電阻的電阻溫度系數(shù)比鉑電阻和銅電阻都要好，但其線性度則不如鉑電阻，同樣的是其高次項(xiàng)的影響也相對較小，在溫度并不大范圍變化時(shí)仍然可以采取線性近似。

/* 計(jì)算鎳電阻溫度 */
static float CalcWznTemperature(RTDObjectType *rtd，float rt)
{
float temp=0.0;
float a=0.005485;
   
temp=((rt/rtd->nominalR)-1.0)/a;
rtd->temperature=temp;
   
return temp;
}

2.2.4、統(tǒng)一溫度獲取

??面向不同類型的RTD，我們實(shí)現(xiàn)了各自的溫度轉(zhuǎn)換函數(shù)，但作為驅(qū)動(dòng)函數(shù)庫，我們總是希望能進(jìn)行無差別調(diào)用。所以我們希望設(shè)計(jì)一個(gè)統(tǒng)一的接口函數(shù)。所幸每種類型RTD操作函數(shù)均有相同的格式，于是我們就很容易想到使用函數(shù)指針來處理它。

float (*CalcTemperature[])(RTDObjectType *rtd，float rt)={CalcWzpTemperature，CalcWzcTemperature，CalcWznTemperature};

/*計(jì)算熱電阻測得的溫度*/
float CalcRTDTemperature(RTDObjectType *rtd，float rt)
{
    float temp=0.0;

    temp=CalcTemperature[rtd->type](rtd，rt);

    return temp;
}

3、驅(qū)動(dòng)的使用

??我們采用RTD測溫時(shí)可以使用這一驅(qū)動(dòng)。其實(shí)用步驟分兩步：聲明并初始化對象；調(diào)用函數(shù)計(jì)算溫度值。接下來我們就來實(shí)現(xiàn)之。

3.1、聲明并初始化對象

??首先使用RTDObjectType類型定義RTD對象，如果有多個(gè)可以使用數(shù)組方式定義。RTDObjectType rtd；或RTDObjectType rtd[N]；的形式。其中N為數(shù)量。

??定義對象變量后和以調(diào)用初始化函數(shù)對齊進(jìn)行初始化：

??RTDInitialization(&rtd，type，nr);

??其中type為RTDCategoryType枚舉類型，可以是鉑熱電阻（WZP）、銅熱電阻（WZC）和鎳熱電阻（WZN）。nr為所操作對象在0攝氏度時(shí)的標(biāo)稱電阻值。

3.2、調(diào)用函數(shù)計(jì)算溫度值

??對象初始化后就可以操作對象來獲取對象當(dāng)前時(shí)刻的溫度值。具體如下：

??CalcRTDTemperature(&rtd，rt)；

??其中rt為當(dāng)前對象的電阻值。

4、應(yīng)用總結(jié)

??我們實(shí)現(xiàn)了RTD的檢測，對得到的當(dāng)前溫度電阻值，使用根本驅(qū)動(dòng)就可以計(jì)算得到當(dāng)前的溫度。

??本驅(qū)動(dòng)支持鉑熱電阻（WZP）、銅熱電阻（WZC）和鎳熱電阻（WZN）。對于不同該類型，不同標(biāo)稱值的對象均可以使用。不過需要注意：鉑熱電阻對應(yīng)的測溫范圍是：-200℃~850℃；銅熱電阻對應(yīng)的測溫范圍是：-50℃~150℃；鎳電阻對應(yīng)的測溫范圍是：-60℃~180℃。超過范圍的將不被支持。