LM331V/F转换器在矿用温度传感器中的应用

摘要：针对煤矿的使用环境和条件，设计了ALS-1型矿用温度传感器用于煤矿井下环境温度测量。传感器采用HP35H线性温度传感器作为测温热敏元件，LM331为单片V/F转换器，可将0～1V电压量转换为0～1000Hz频率量。传感器具有灵敏度高、反应迅速、可靠性高以及维护量少等特点。

关键词：温度传感器；本安型；LM331；HP35H

中图分类号：TP212 文献标识码：A

1矿用温度传感器概述

ALS-1型矿用温度传感器为本质安全型（电气设备的一种防爆型式，它将设备内部和暴露于潜在爆炸性环境的连接导线可能产生的电火花或热效应能量限制在不能产生点燃的水平。）仪器，适用于煤矿井下具有煤尘、瓦斯爆炸危险场所，主要用于测量煤矿井下的环境温度，以便及时发现火灾隐患，也可以对电机、皮带机、滚筒或其它部位进行超温监测。该产品结构设计合理、检测准确、性能稳定、安装维护方便。

测温敏感元件采用HP35H线性温度传感器，它是采用美国NS芯片设计的线性正温度系数（简称PTC）温度传感器，其输出电压变化量与温度成线性关系，并按+10mV/℃与摄氏温度一一对应，可采用单电源工作，使用极为方便。

主要技术指标：

防爆型式：矿用本质安全型

工作电压：12V.DC；

工作电流：小于20mA；

测温范围：20～100℃；

测量准确度：±1.0℃；

输出信号：200―1000Hz频率量。

输出信号传输距离：2km

工作环境温度：-10～40℃

工作环境湿度:：≤95

外形尺寸：125×105×45mm

2V/F转换器LM331

LM331 为单片机V/F转换器，电源电压范围较宽(4V～20V)；最大非线性失真小于0.01％，工作频率低到0.1Hz时尚有较好的线性；变换准确度高，数字分辨率可达12位；外接电路简单，只需接入几个外部元件就可方便构成V/F或F/V等变换电路，并且容易保证转换准确度。

其引脚排列如图1所示[1]。

各引脚设置如下：

（1）1脚: IO ,电流输出端。它是内部一个精密电流源的输出端,该脚流出的电流为基本电路中的CL充电。

（2）2脚: IS ,参考电流。该引脚由内部的一个电流泵提供50μA～500μA的电流,该端外接一个电阻RS 到地,实际应用时取4kΩ～150kΩ可调。

（3）3脚:fout ,脉冲频率输出端。输入电压经过V/F转换后矩形波由此输出,其内部是一个晶体管的集电极,且为集开路输出,因此外部必须接有上拉电阻到正电源。

（4）4脚:GND ,接地端。

（5）5脚:R/C ,外接定时电阻Rt和定时电容Ct,它们是内部单稳态定时电路的定时元件。

（6）6脚:UT ,阈值电压。该端是内部一个比较器的反相输入端,该端电压与7脚的输入电压Uin比较,并根据比较结果启动内部的单稳态定时电路。

（7）7脚:Uin ,被测电压输入端。

（8）8脚:Ucc ,电源正端( + 5V～ + 15V)。

3LM331在温度传感器中的应用

由HP35H与LM331组成的温度传感器原理图如图2所示[2]。IC1为线性正温度系数的敏感元件，供电电压为5V，在测温范围为0～+100℃时输出电压为0～1V。现在通过LM331芯片将0～1V电压量转换为0～1000Hz频率量。

LM331输入电压和输出频率的关系为[3]：fo=Vin×(R4+RW)/(2.09×R2×R3×C3)。由此知电阻R2、R3、R4、和C3直接影响转换结果f0，因此对元件的准确度要有一定的要求，可根据转换准确度适当选择。电阻R1和电容C1组成低通滤波器，可减少输入电压中的干扰脉冲，有利于提高转换准确度。

4应用LM331V/F优点

LM331 采用了新的温度补偿能隙基准电路,在整个工作温度范围内和低到4.0V 电源电压下都有极高的准确度。LM331 的动态范围宽,可达100dB ；线性度好,最大非线性失真小于0.01% ,工作频率低到0.1Hz时尚有较好的线性;变换准确度高,数字分辨率可达12位；外接电路简单,只需接入几个外部元件就可方便构成V/F或F/V等变换电路,并且容易保证转换准确度。

通过传感器将被测量转换为电压，经运算放大器放大为0～10V电压信号，由LM331 进行V/F变换为脉冲信号，通过长双绞线传输到测量室，在测量室内通过光电耦合器转换为幅量室而造成的线路衰减或干扰，提高测量准确度。

当前，12位以上的A/D转换器的价格仍较昂贵，用V/F变换器来代替A/D转换器，在要求速度不太高的场合是一种较好的选择。从传感器来的毫伏级的电压信号经低温漂运算放大器INA101 放大到0～10V后加到V/F变换器LM331的输入端，从频率输出端f0输出的频率信号加到单片机8031 的输入端T1上。根据分辨率的要求利用软件处理，最后得到A/D转换的结果。

结语

通过试验分析,应用LM331的A/D转换电路,在运行中稳定性好,在实际应用中要通过调试选择好器件参数,可以准确的实现A/D转换,并且准确度高,抗干扰能力强,具有频率量输出的温度传感器很容易将温度信号输送给煤矿井下各种控制器。

参考文献

[1] 李建新,李聚春.由LM331构成单片机F/V精密数据采集电路[J].湖北教育学院学报,2007,24(8):50-52.

[2] 张富景,叶家玮.F/V转换器在船模试验水池拖车控制系统中的应用[J].现代电子技术,2008，(7):131-132.

[3] 何献忠，凌云.基于LM331和单片机的数据采集控制[J].机电产品开发与创新,2006,19(6):146-147.