鉑電阻精度高溫度測量系統(tǒng)

摘要:為了滿足工業(yè)生產(chǎn)對(duì)溫度測量的精度高要求,研制了種恒流源微電流驅(qū)動(dòng)四線制鉑電阻P100的精度高溫度測量系統(tǒng)。分析了引起系統(tǒng)測量誤差的原因，給出了減少誤差的方法;闡述r恒流源、儀川放大、抗混疊濾波、采樣保持、A/D采樣等主要電路的設(shè)計(jì)原理和參數(shù)選擇準(zhǔn)則;說明了測鼂系統(tǒng)的標(biāo)定方法。該系統(tǒng)采用四線制鉑電阻Pt100作為溫度傳感器，由恒流源微電流驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生電壓，可以完全去除鉑電阻自身的引線電阻、有效減少自熱效應(yīng);通過儀用放大電路、抗混疊濾波電路和采集保持電路可以有效濾除采集信號(hào)中的干擾信號(hào),降低外界干擾對(duì)測最系統(tǒng)的影響,增強(qiáng)測量系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性和正確性。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠,標(biāo)定后測量誤差小于±0.03℃。
0引言
　　溫度是工業(yè)生產(chǎn)過程中非常重要的測量參數(shù),溫度測量和控制的正確性直接影響產(chǎn)品生產(chǎn)和產(chǎn)品質(zhì)量。隨著測量技術(shù)的發(fā)展,對(duì)溫度測量精度的要求也越來越高，譬如,化工行業(yè)聯(lián)合制堿中要求溫差控制在0.2℃,在色譜儀的工作范圍內(nèi)要求溫度測量優(yōu)于0.05℃鉑電阻溫度傳感器因具有精度高線性度好、響應(yīng)速度快等諸多優(yōu)點(diǎn),被作為工業(yè)精密測量系統(tǒng)中廣泛使用的理想測溫元件。采用鉑電阻進(jìn)行精度高溫度測量需要克服幾個(gè)技術(shù)難點(diǎn):引線電阻、自熱效應(yīng)元器件漂移以及噪聲干擾等。
　　以鉑電阻為測溫元件的精度高溫度測量方案,解決了鉑電阻溫度測量對(duì)硬件電路的-些基本要求,但是測量精度不佳;方益喜等[3]設(shè)計(jì)了恒流源驅(qū)動(dòng)三線制鉑電阻的精度高溫度測量系統(tǒng)，較好地提供了測量誤差和溫度漂移的校準(zhǔn)方法,但是沒有很好地解決引線電阻對(duì)溫度測量的影響;汪國定等[4]提出了恒流源驅(qū)動(dòng)四線制鉑電阻測量方法,有效解決了鉑電阻的引線電阻和自熱效應(yīng)，但是沒有詳細(xì)分析實(shí)際應(yīng)用過程中外界干擾對(duì)系統(tǒng)測量的影響,也未給出相應(yīng)的抑制措施。
　　采用微電流驅(qū)動(dòng)四線鉑電阻Pt100的測溫方案,可以完全去除引線電阻引起的誤差,有效減少自熱效應(yīng),通過使用軟、硬件抗干擾濾波技術(shù)降低噪聲、抑制干擾、減少系統(tǒng)誤差,提高系統(tǒng)的測量精度和穩(wěn)定性。
1鉑電阻精度高溫度測量系統(tǒng)
　　鉑電阻Pt100是利用金屬鉑(Pt)的電阻值隨溫度變化而變化的物理特性而制成的溫度傳感器)]。用Pt100作為測溫元件進(jìn)行溫度測量的關(guān)鍵是要正確測量出Pt100的電阻值。
按照IEC751國際標(biāo)準(zhǔn)6],現(xiàn)在常用的Pt100(R。=100Ω)是以溫度系數(shù)TCR=0.003851為標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一設(shè)計(jì)的鉑電阻。它的溫度電阻特性是:
 
　　根據(jù)Pt100的溫度特性,四線制鉑電阻Pt100精度高測溫系統(tǒng)如圖1所示。系統(tǒng)主要由恒流源驅(qū)動(dòng)電路、四線制鉑電阻接口電路、儀用放大.電路、抗混疊濾波電路、采樣保持電路以及A/D采樣電路構(gòu)成。系統(tǒng)正常測溫時(shí),恒定電流通過Pt100產(chǎn)生相應(yīng)的電壓信號(hào),先進(jìn)人儀用放大電路,去除共模干擾并進(jìn)行適當(dāng)放大,再通過抗混疊濾波電路和采樣保持電路去除高頻諧波,然后輸人精度高A/D轉(zhuǎn)換器。A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)進(jìn)人單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字濾波,最終通過公式計(jì)算得出真實(shí)溫度。
 
2電路設(shè)計(jì)與參數(shù)選擇
2.1恒流源電路
　　恒流源是鉑電阻測溫電路中的關(guān)鍵模塊,其功能是將鉑電阻溫度傳感器感知的隨溫度變化的電阻信號(hào)轉(zhuǎn)換成可測量的電壓信號(hào)。根據(jù)元器件發(fā)熱公式(P=I²×R)可知,鉑電阻上流過的電流I不宜過大,影響系統(tǒng)測量精度。
　　恒流源電路如圖2所示,其中,運(yùn)算放大器U1構(gòu)成加法器,U2構(gòu)成電壓跟隨器。U1、U2選用低噪聲、低失調(diào)高開環(huán)增益的雙極性運(yùn)算放大器OP07CD。Vr為恒流源參考電壓,由超低噪聲LDOXFET基準(zhǔn)電壓源A/DR441B提供穩(wěn)定電壓,溫度系數(shù)為3ppm/C,實(shí)際輸出為2.485V。Rref為參考電阻,R5、R6、R7、R8為分壓電阻,均選用精度0.1%的精密電阻且R5=R6=R7=R8。
該恒流源電路具有輸出電流恒定、輸出阻抗大、溫度穩(wěn)定性好、負(fù)載一端可接地、輸出電流大小極性可改變等特點(diǎn)。電流大小Iout可以通過Rref和Vref調(diào)節(jié),計(jì)算公式如下:
 
2.2四線制鉑電阻接口電路
　　在鉑電阻精度高溫度測量系統(tǒng)中,引線電阻--定不能忽略。常規(guī)的二線制、三線制鉑電阻測溫方法是忽略其引線電阻或者近似引線電阻值相等。這兩種方法的測量值和真實(shí)值存在一-定的偏差。
假設(shè)兩線制Pt100引線采用長度為1m,直徑為1mm的銅線,銅線的電阻率約為0.0201,則四線制Pt100的引線電阻阻值約為:2x1mX0.0201/(3.1415x:0.5²)=0.0512Ω。
鉑電阻傳感器Pt100按照升降率0.3851Ω/C變化,由此產(chǎn)生的引線誤差為0.0512Ω/0.3851(Ω/℃)=0.1329℃,且引線越長，誤差越大。
　　為消除鉑電阻引線電阻對(duì)測量精度造成的影響，Pt100采用四線制接法。四線制接口電路如圖3所示，分為恒流源動(dòng)力引線和電壓驅(qū)動(dòng)引線兩部分。其中，R1、R2兩條引線屬于恒流源動(dòng)力引線,將鉑電阻傳感器連接到恒流源;R3、R4兩條電壓驅(qū)動(dòng)引線將鉑電阻的電壓信號(hào)連接到儀用放大電路。由此將驅(qū)動(dòng)Pt100的恒流源與溫度檢測電路分開,保證即使R1和R2兩條引線電阻出現(xiàn)變化產(chǎn)生壓降也不會(huì)影響溫度測量的正確性。
 
2.3儀用放大電路
　　共模干擾是采集系統(tǒng)中常見的一種干擾,主要由外界功率器件感應(yīng)耦合、輻射耦合以及電路不平衡性產(chǎn)生”。恒流源通過四線制鉑電阻產(chǎn)生的差分信號(hào)通過儀用放大電路輸出一個(gè)單端對(duì)地的信號(hào)，能夠有效減少系統(tǒng)中共模干擾對(duì)其影響。
　　儀用放大電路設(shè)計(jì)如圖4所示。由運(yùn)算放大器U3、U4按同相輸入接法組成第一-級(jí)差分放大電路,運(yùn)算放大器U5組成第二級(jí)差分放大電路,將U3、U4的輸出作為U5的輸人。電壓增益由電阻調(diào)節(jié),其中R11=R12,R13=R14。該儀用放大器具有增益可調(diào)節(jié)、高輸人阻抗、低輸出阻抗、高共模抑制比等特點(diǎn)。
 
　　該儀用放大電路電壓增益A.計(jì)算公式如下:
 
2.4抗混疊濾波與采樣保持電路
　　在測溫系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集過程中,不可避免地會(huì)混入干擾信號(hào)。常見的干擾信號(hào)有電力線頻率在50Hz或60Hz的工頻噪聲以及其他高頻設(shè)備產(chǎn)生的噪聲等。當(dāng)這些信號(hào)的頻率超過奈奎斯特采樣定理所規(guī)定的范圍時(shí)，就會(huì)采集到一些混疊信號(hào)并對(duì)有用信號(hào)造成干擾,即頻率混疊8。這種頻率混疊信號(hào)即使后續(xù)電路中有數(shù)字濾波也不能完全消除干擾。為了最大程度地抑制混淆現(xiàn)象，需要采用抗混疊濾波和采樣保持電路將混疊信號(hào)進(jìn)行衰減和濾除。
　　抗混疊濾波電路設(shè)計(jì)如圖5所示。虛線部分(1)是由電阻R15和電容C組成的RC低通濾波電路,能夠?yàn)V除高頻信號(hào)中大于低通濾波電路截止頻率1/2πRC的干擾信號(hào)9。虛線部分(2)為采樣保持電路,能夠減小孔徑誤差充分發(fā)揮A/D轉(zhuǎn)換器的性能,同時(shí)濾除高頻諧波。在這個(gè)電路中,采樣保持電路在采樣階段與低通濾波電路直接相連,電容C與C2會(huì)形成一個(gè)充放電回路,在采樣時(shí)間很短的情況下，C,和C2上的電壓都達(dá)不到穩(wěn)定,增加系統(tǒng)干擾,影響采集精度,因此必須增大電容C的容值。假設(shè)使用24位A/D轉(zhuǎn)換器,當(dāng)C1/C2>2²⁴時(shí),就可以大幅度減小由電容充放電帶來的干擾。
 
2.5AD轉(zhuǎn)換器
　　A/D轉(zhuǎn)換器是數(shù)據(jù)采集器的核心器件,決定了系統(tǒng)的測量精度。選用24位高分辨率A/D轉(zhuǎn)換器CS5550,電壓增益10倍、50倍可選,增益后電壓輸人范圍-2.5V~+2.5V,最高轉(zhuǎn)換速度為4000sps,自帶數(shù)字濾波器,通過配置寄存器的轉(zhuǎn)換次數(shù)進(jìn)行均值濾波,24bit雙極性輸出，最高位表示符號(hào)位。單片機(jī)通過SPI總線和CS5550連接。
2.6電路參數(shù)選擇
　　系統(tǒng)實(shí)際測量過程中必須綜合考慮溫度測量范圍、恒流源的大小、儀表放大電路的放大增益、抗混疊濾波電路的截止頻率以及A/D轉(zhuǎn)換器的放大增益,選擇合適的電路參數(shù)。
　　設(shè)實(shí)際溫度為T,測量電壓為V。當(dāng)實(shí)測溫度T=0~100℃時(shí),鉑電阻傳感器Pt100的電阻值范圍是100Ω~138.51Ω。選擇Rref電阻為10kΩ,根據(jù)公式(5)得出輸出恒定電流為248.5μA,Pt100輸出的電壓值范圍Vout為25mV~34.627mV。選用儀用放大器的電阻R9=R10=R11:=R13=22kΩ，Rg斷開即電阻趨于無窮大根據(jù)式(3)計(jì)算輸出增益A.為1?？够殳B濾波電路選用電阻R15=100Ω,電容C1=47μF,C2=2pF。保證C1/G2大于2²⁴,截止頻率1/(2πxR15,xC1)小于30Hz,濾除高頻信號(hào),通過低頻信號(hào)。設(shè)置AD轉(zhuǎn)換器電壓增益為50,使其輸人電壓在1.250V-1.731V之間，維持在其滿量程的1/2~2/3,充分發(fā)揮A/D轉(zhuǎn)換性能。
　　根據(jù)上述參數(shù)設(shè)置和公式(4)可以得出實(shí)際溫度T和測量電壓為Vout的理論關(guān)系為:
T=(Vout/Iout-100)/0.3851=10.449×Vout-259.673
3系統(tǒng)標(biāo)定和誤差分析
　　由于鉑電阻Pt100的自身精度以及電路中元器件的漂移,根據(jù)理論公式計(jì)算得出的溫度會(huì)和真實(shí)溫度會(huì)存在一定偏差。系統(tǒng)選用不同鉑電阻進(jìn)行測溫時(shí),必須先進(jìn)行溫度標(biāo)定,求得電壓和溫度的實(shí)際對(duì)應(yīng)關(guān)系。
　　采用RTS--35A制冷恒溫槽與精度0.01℃高精密溫度計(jì)進(jìn)行溫度標(biāo)定,該恒溫槽穩(wěn)定后溫度波動(dòng)度為+0.01℃/30min。在10C~80℃范圍內(nèi)，鉑電阻測溫系統(tǒng)每隔10℃進(jìn)行一次溫度測量。測量時(shí)A/D采樣速率選用500sps,待恒溫槽溫度穩(wěn)定后,對(duì)每組溫度進(jìn)行100s的采集,進(jìn)而對(duì)所求的50000個(gè)測量電壓求平均,測量溫度由理論公式(7)計(jì)算得出,實(shí)際溫度由精度高溫度計(jì)測量得出。標(biāo)定前測量數(shù)據(jù)如表1所示。
 
　　由表1可知,標(biāo)定前測量溫度和實(shí)際溫度誤差超過0.3℃,說明根據(jù)理論公式計(jì)算的溫度和實(shí)際真實(shí)溫度存在較大誤差,必須進(jìn)行溫度標(biāo)定。根據(jù)這8組不同溫度下恒溫槽的實(shí)際溫度和系統(tǒng)實(shí)際測得電壓值采用最小二乘法進(jìn)行線性擬合,得出實(shí)際溫度T和實(shí)際測量電壓Vout的實(shí)際關(guān)系為:
T=10.445xVout-259.923(8)
　　根據(jù)線性擬合公式(8)再次測量恒溫槽的溫度，測量數(shù)據(jù)如表2所示。
 
　　通過測量結(jié)果分析,系統(tǒng)根據(jù)擬合公式測得的溫度和實(shí)際溫度的誤差不超過±0.03℃。通過表1和表2測量誤差數(shù)據(jù)對(duì)比分析可知,系統(tǒng)通過溫度標(biāo)定之后測量誤差有了明顯降低。
4結(jié)束語
　　設(shè)計(jì)了一種精度高溫度測量系統(tǒng):由恒流源微電流驅(qū)動(dòng)四線制鉑電阻Pt100,產(chǎn)生的電壓信號(hào)先經(jīng)過儀用放大電路進(jìn)行放大,然后通過抗混疊濾波電路和采樣保持電路濾波,進(jìn)人精度高A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行信號(hào)采集,最后單片機(jī)根據(jù)特定公式計(jì)算出真實(shí)的溫度值。該系統(tǒng)能夠有效克服鉑電阻自身的引線電阻,減小自熱效應(yīng),降低外界干擾對(duì)測量系統(tǒng)的影響。
　　通過恒溫槽測溫實(shí)驗(yàn)和誤差分析可知,該測溫系統(tǒng)達(dá)到了測量精度高、誤差小的設(shè)計(jì)要求,具有良好的可靠性、穩(wěn)定性和實(shí)用性,標(biāo)定后溫度測量誤差小于±0.03℃,可以滿足工業(yè)生產(chǎn)過程中對(duì)溫度測量的精度高要求。