精度高鉑電阻溫度測量新方法

摘要:溫度是工業(yè)生產(chǎn)重要測量參數(shù),測量結(jié)果精度在很大程度上影響了產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量,現(xiàn)在工業(yè)生產(chǎn)中對溫度測量精度要求更為嚴格。想要提高鉑電阻溫度測量精度,就需要結(jié)合其所具有的特點,做好實施過程的分析,降低各項因素的影響,對鉑電阻溫度測量斷方法進行了簡要分析。
引言
　　鉑電阻元件現(xiàn)在已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到工業(yè)測控系統(tǒng)中,與其他溫度測量方法相比,具有更高的應(yīng)用效果。對于鉑電阻溫度測量來說，常規(guī)是利用測量電阻橋不平衡電壓來實現(xiàn)，對模數(shù)轉(zhuǎn)換器精度要求比較高,同時所需測量成本也較大。為提高工業(yè)溫度測量綜合效率，在原有基礎(chǔ)上進行精度高鉑電阻溫度測量新方法分析,對原有測量方法進行優(yōu)化,解決存在的各類問題，達到降低測量成本的目的。
1鉑電阻測量溫度原理分析
　　鉑電阻傳感器應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)測量溫度領(lǐng)域,主要就是利用金屬鉑電阻值受溫度影響較大特點,將其制造成溫度傳感器,完成溫度變化狀態(tài)的測量。選擇鉑電阻為測溫元件，可以得到鉑電阻傳感器電阻值。一般工業(yè)測溫系統(tǒng)中所用鉑電阻為PT1000(R0=1000Ω),對其溫度特性進行分析,可得知當-200℃<t<0℃時,R(t)=R0[L1+At+Bt²+C(t-100)tm³];當0℃<t<850℃時,R(t)=Rd(1+At+B。其中,R(x)表示6℃時電阻值,R0表示0℃時電阻值,AB、C均標志時間常數(shù)。在應(yīng)用鉑電阻實際測溫時，需要對鉑電阻傳感器自身精度進行分析，因為一般情況下，任意2個傳感器實際電阻-溫度特性并不完全相同,因此為提高測量結(jié)果精度,需要選擇用溫度校準方法對單個鉑電阻傳感器進行多點溫度測量,掌握其唯一溫度特性,避免傳感器性能特點對測量結(jié)果的影響。
2精度高鉑電阻測量溫度實施策略
2.1實施要點
第一，溫度是影響鉑電阻阻值以及放大器精度的主要因素,一旦外界溫度發(fā)生變化,勢必會對系統(tǒng)測量結(jié)果精度產(chǎn)生影響。因此在開展精度高鉑電阻溫度測量方法時，必須要做好有效溫度補償方法的分析。第二，溫度測量精度預(yù)告，高分辨率A/D轉(zhuǎn)換器價格越大，因此也就使得測量成本增加，也是需要重點解決的問題之一。針對此類問題，可以通過RC振蕩器,來將鉑電阻變化量轉(zhuǎn)換為頻率信號，可以有效解決溫度變化以及不平衡電阻橋產(chǎn)生的非線性問題。同時,對頻率變化量進行測量,計算出鉑電阻阻止變化量,得到被測溫度結(jié)果值。這樣可以將中間AD環(huán)節(jié)省略掉，不但可以提高測量精度,同時還可以有效控制測量成本。
2.2傳感器信號調(diào)理
　　利用傳感器測量的方法中，需要重點分析輸出模擬信號的數(shù)字化轉(zhuǎn)變，例如將鉑電阻放入RC震蕩電路中,將鉑電阻組織變化調(diào)制成時變頻率信號，如圖1所示。振蕩電路由傳感器以及觸發(fā)器組成,并可以將傳感器看作為電阻，這樣便可以通過觸犯器設(shè)置適當閥值，最終將傳感器阻值變化信號轉(zhuǎn)換為頻率信號。然后將轉(zhuǎn)換后信號輸人到計數(shù)器內(nèi),在預(yù)定循環(huán)周期內(nèi)通過高速計數(shù)器解調(diào)頻率信號，確保數(shù)字化為與震蕩頻率成比例的值，最后便可以通過成比例值計算得出溫度值。
 
2.3推算測量結(jié)果
　　經(jīng)過傳感器信號調(diào)理后,需要完成溫度解算。即利用測量得到的計數(shù)值,來計算信號變化頻率值,其中頻率與RC震蕩電路時間一般呈現(xiàn)反比關(guān)系,即:F0=1/kRC。其中,F0表示所測信號變化頻率值,R表示鉑電阻阻值;C表示振蕩器電容值,k表示時間比例系數(shù)回。如果公式中F0.C以及k為已知條件,便可以計算得出鉑電阻當前阻值，進而可以通過阻值計算得出溫度數(shù)值。
3精度高鉑電阻溫度測量系統(tǒng)設(shè)計分析
3.1設(shè)計方案
3.1.1設(shè)計原則
　　為提高溫度值測量精度，系統(tǒng)上設(shè)計傳感器采用四線制鉑電阻溫度傳感器，對導線引線電阻進行消除。選知小恒流源為鉑電阻供電，并控制供電時間，降低自熱效應(yīng)對測量結(jié)果的影響。同時，對于A/D采集、參考電阻與運放等元器件,應(yīng)選擇用精度高、低溫漂類型,降低器件產(chǎn)生的測量誤差。另外，為降低計算復(fù)雜度，應(yīng)盡量選擇用先進測量算法設(shè)計硬件的電路,提高噪聲抵消效果。
3.1.2設(shè)計算法
　　在對溫控系統(tǒng)前端進行設(shè)計時，可以采取圖2†方式,其中虛線部位表示鉑電阻,Rt1、Rt2、Rt3、Rt4表示鉑電阻線阻,Rt表示待測鉑電阻,R1、R2、R3表示標準參考電阻,Rt,表示偏置電阻印。另外,1表示恒遠流,K1-K10表示模擬開關(guān)。
 
　　此系統(tǒng)運行主要通過控制模擬開關(guān)通斷來實現(xiàn),可以實現(xiàn)進入運放與A/D轉(zhuǎn)換元件不同電壓信號的切換,完成電壓信號的測量,并確定電阻Rt數(shù)值。假設(shè)運放放大倍數(shù)為p,A/D芯片采集時參考電壓為V,滿量程讀數(shù)為VAADrangu,則算法為:
　　在進行溫度測量時，不同電流開關(guān)切換時間以及A/D轉(zhuǎn)換時間較短,因此可以保證上述4次測量方法的實施溫度不發(fā)生變化，同時也可以忽略鉑電阻自熱影響。因此,運放放大倍數(shù)p與A/D芯片采集時便可以人為參考電壓V相等。則可以得到:.
Rt=(a-b-c/c-d)(R1-R2)
　　由此可見,Rt阻值的大小受A/D測量值，以及R1、R2阻止決定，與恒流源、A/D參考電壓以及運放放大倍數(shù)等參數(shù)無關(guān)。因此想要提高溫度測量結(jié)果的精度，便可以通過應(yīng)用高分頻率A/D芯片,以及精度高、低溫漂電阻來實現(xiàn)。
3.2系統(tǒng)設(shè)計
3.2.1條件確定
1)器件選擇。選擇用精度高與高穩(wěn)定性Pt1000薄膜鉑電阻傳感器,其0℃環(huán)境下誤差為±0.06Ω。恒流源運放、模擬開關(guān)以及A/D轉(zhuǎn)換器選擇用集成芯片ADS1248,可以有效簡化電路設(shè)計,減小了傳統(tǒng)采集電路中器件間導線連接與外圍干擾，提高測量值的精度'。
2)參考電阻選擇。設(shè)計系統(tǒng)測溫環(huán)境溫度范圍在-30~+80℃，對應(yīng)鉑電阻阻值范圍882.21~1308.96Ω。其中,基于線路電阻因素分析,Rt+Rt4組織范圍應(yīng)控制在880~1320Ω間,并且為保證經(jīng)過放大后信號可以與A/D輸入范圍相同，來保證檢測分辨率精度，對于R3阻值應(yīng)確定為883~1320Ω范圍內(nèi)。
3.2.2硬件系統(tǒng)
　　ADS1248芯片外圍電路設(shè)計中，鉑電阻需要與四線制相連接,并設(shè)置足夠多恒流源輸出端口,且保證其可以軟件配置輸出到任何端口。片內(nèi)緩沖器輸入阻抗可以達到5000MΩ,基本上可以將測試線_上電流看作為0,進而能夠有效避免信號線附加電阻對測量結(jié)果精度的影響。另外，在選擇單片機時,應(yīng)以實際需求為基礎(chǔ),確?？梢酝瓿葾DS1248芯片寄存器讀寫、狀態(tài)控制、測量數(shù)據(jù)讀取等行為,最終將測量結(jié)果顯示出來。
3.2.3軟件系統(tǒng)
　　軟件系統(tǒng)設(shè)計主要包括單片機程序與上位機監(jiān)測程序兩部分，任何一部分的設(shè)計均需要確保其能夠滿足系統(tǒng)運行實際需求。第一,單片機程序。可以選擇用Keil開發(fā)環(huán)境以及C52編程語言設(shè)計,分為端口初始化、A/D轉(zhuǎn)換與算法、寄存器控制以及SPI數(shù)據(jù)讀取等模塊間。在實際測溫作業(yè)中,利用控制開關(guān)來完成恒流源與相應(yīng)電阻通路接通時，需要最大程度上來縮短整個操作時間，達到消除自熱效應(yīng)影響的目的。并且,要保證控制器每秒完成一次溫度數(shù)據(jù)采集作業(yè),并將采集數(shù)據(jù)通過串口輸送給上位機。第二，上位機程序?？梢曰贚abWindowsCVI9.0開發(fā)軟件界面,來實現(xiàn)實施溫度數(shù)據(jù)的顯示。
4結(jié)語
　　鉑電阻作為工業(yè)生產(chǎn)中理想的測溫元件，在實際應(yīng)用中可以充分發(fā)揮其所具有的精度高、高靈敏度特點，但是測量結(jié)果更大程度上會受模數(shù)轉(zhuǎn)換器精度影響,需要選擇應(yīng)用性能良好的模數(shù)轉(zhuǎn)換器,進而會使得成本較高。因此,需要在現(xiàn)有基礎(chǔ)上,對精度高鉑電阻溫度測量方法進行研究，結(jié)合其測溫作業(yè)要求,確定優(yōu)化要點,設(shè)計性能優(yōu)良的硬件與軟件系統(tǒng),開發(fā)出一種新的精度高低成本鉑電阻測溫方法,確保測溫結(jié)果精度滿足工業(yè)生產(chǎn)要求。