基于鉑電阻的寬量程溫度測(cè)量裝置

摘要:-30-300℃是科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)最常用的溫度范圍，在此范圍內(nèi)進(jìn)行精度高溫度測(cè)量一直是研究的熱點(diǎn)問題。本文研究了一種新的以鉑電阻Pt100為溫度傳感器,采用分段和比例原理的分辨率高、精度高溫度測(cè)量方法。根據(jù)本文研究的方法所設(shè)計(jì)的溫度測(cè)量系統(tǒng)具有體積小、精度高等特點(diǎn),不但可以用于工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究過程中的精度高溫度測(cè)量,也可作為可傳遞的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)。
0引言
　　-30-300℃是科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)最常用的溫度范圍，隨著科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)對(duì)溫度測(cè)量精度和分辨率要求的提高，具有分辨率高、精度高的溫度測(cè)量方法的研究、相關(guān)分辨率高、精度高測(cè)溫儀器的研發(fā)已收到廣泛的關(guān)注。標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)作為1990年國際溫標(biāo)(ITS-90)規(guī)定的內(nèi)插測(cè)溫儀器，是-30-300度溫度段內(nèi)測(cè)溫準(zhǔn)確度最高的測(cè)溫儀器。鉑電阻作為溫度敏感元件,是鉑電阻溫度計(jì)的核心部件。Pt100作為精密測(cè)溫常用的傳感器具有性能穩(wěn)定、重復(fù)性好、誤差小等優(yōu)點(diǎn)。將鉑電阻隨溫度變化而產(chǎn)生的阻值變化轉(zhuǎn)換為可被進(jìn)一步處理的電壓信號(hào)的方法通常由兩種:電橋法和恒流源法。電橋法固有的非線性會(huì)在測(cè)溫系統(tǒng)中引入系統(tǒng)誤差;恒流源法具有很好的線性度并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,但是,由于恒流源的穩(wěn)定性問題，會(huì)引入隨機(jī)誤差。本文研究了一種基于恒流源法的，以Pt100為溫度傳感器的精度高、分辨率高溫度測(cè)量方法。采用比例測(cè)量原理消除恒流源穩(wěn)定性造成的隨機(jī)誤差;采用分段測(cè)量的方法在-30-300℃范圍內(nèi)進(jìn)行精度高測(cè)量。
1測(cè)量原理
　　恒流源輸出電流的不穩(wěn)定是造成基于恒流源的鉑電阻溫度測(cè)量誤差的主要來源。采用比例測(cè)量的方法來消除恒流源電流強(qiáng)度的波動(dòng)。其原理如圖1所示:

　　將Pt100與精度高標(biāo)準(zhǔn)電阻串聯(lián)。設(shè)某-時(shí)刻,恒流源輸出的電流強(qiáng)度為Iα,那么，在Pt100上形成的電壓降Up=IαRp，在標(biāo)準(zhǔn)電阻上形成的電壓降Us=IαRs同時(shí)采集鉑電阻和標(biāo)準(zhǔn)電阻的電壓降,并將電壓降比值進(jìn)行相除操作,則比值λ=Up/Us=Rp/Rs,這樣就可以消除電流源不穩(wěn)定造成的隨機(jī)誤差。
　　設(shè)采集溫度電壓信號(hào)的AD轉(zhuǎn)換器位數(shù)為n,如果將-30-300℃的溫度范圍作為一個(gè)整體來考慮且其輸出的電壓范圍與AD轉(zhuǎn)換器的量程相同,那么，LSB的變化表明，溫度變化了℃。而實(shí)際上,由于溫度電壓的范圍要稍小于AD轉(zhuǎn)換器的量程，那么，LSB的變化所代表的溫度要大于℃.本文采用一種分段測(cè)量的方法，將被測(cè)溫度范圍分成三段:-30-80℃、80-190℃、190-300℃三個(gè)溫度段。在智能微處理器的控制下,恒流源針對(duì)三個(gè)不同的溫度段,輸出不同強(qiáng)度的測(cè)試電流。使Pt100在每個(gè)溫度段內(nèi)形成的電壓降經(jīng)放大和調(diào)理后的電壓范圍逼近AD轉(zhuǎn)換器的量程。通過這種分段測(cè)量方法，可以有效提高溫度測(cè)量的分辨率，為精度高溫度測(cè)量做好技術(shù)準(zhǔn)備。
2測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)
　　根據(jù)比例測(cè)量和分段測(cè)量的原理,設(shè)計(jì)了分辨率高、精度高的鉑電阻溫度測(cè)量裝置,其結(jié)構(gòu)及主要元器件型號(hào)如圖2所示。
　　鉑電阻為四線制A級(jí)Pt100.以LM134作為恒流源的核心器件,分別設(shè)置三個(gè)不同阻值的反饋電阻使其能夠輸出0.5mA,0.7mA,ImA三種恒流。電阻的切換由信號(hào)繼電器完成。信號(hào)繼電器由MCU通過繼電器驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行控制。-30-80C范圍采用1mA的測(cè)試電流、80-190℃范圍采用0.7mA測(cè)試電流、190-300℃范圍采用0.5mA的測(cè)試電流.標(biāo)準(zhǔn)電阻是精度為0.01%的線繞電阻,其溫度穩(wěn)定性為5ppm/℃.采用INA114作為鉑電阻和標(biāo)準(zhǔn)電阻的信號(hào)放大電路的核心器件。對(duì)鉑電阻的電壓降放大100倍,對(duì)標(biāo)準(zhǔn)電阻的電壓降放大40倍。以-30-80℃為例，當(dāng)采用1mA測(cè)試電流時(shí)，鉑電阻兩端的電壓降范圍為88.22-130.9aV,放大100倍后，電壓范圍為8.822-13.09V。在INA114的REF端，輸入-8.192V的電壓,則INA114的輸出電壓范圍為0.63-4.898V.用TI公司的24位AD轉(zhuǎn)換器ADS1247對(duì)INA114的輸出電壓進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。ADS1247的輸入范圍是0-5V,那么，在理論上,在-30-80C范圍內(nèi)的溫度分辨率可達(dá)到℃。但是，由于ADS1247的穩(wěn)定性和誤差間題，實(shí)際的分辨率會(huì)低于理論分辨率。測(cè)溫裝置的工作流程為:MCU根據(jù)鍵盤的輸入信息，發(fā)起一次溫度測(cè)量。MCU首先控制信號(hào)繼電器.使LM134輸出1mA的電流，然后，采集鉑電阻的輸出信號(hào)電壓，如果達(dá)到5V,則.驅(qū)動(dòng)繼電器切換LM134的反饋電阻，直到鉑電阻輸出電壓低于5V.進(jìn)而同時(shí)采集鉑電阻和標(biāo)準(zhǔn)電阻輸出的電壓信號(hào),并進(jìn)行相除操作和溫度換算,將換算結(jié)果送顯示器。
　　通過在分辨率為0.001℃、精度為0.01℃的低溫和恒溫油槽實(shí)驗(yàn)，該裝置的測(cè)量精度可達(dá)到0.03℃,最大的溫度分辨率為0.003℃。
 
3結(jié)論
　　本文論述了一種基于鉑電阻的寬量程精度高溫度測(cè)量裝置的設(shè)計(jì)原理和實(shí)現(xiàn)方法。比例測(cè)量方法可以有效消除因恒流源波動(dòng)造成的隨機(jī)誤差。采用分段測(cè)量的方法可以將被測(cè)溫度范圍進(jìn)行局部放大,從而提高測(cè)量的分辨率和精度。