精度高鉑電阻測溫方法

摘要;提出了一種新的四線(xiàn)制鉑電阻測溫方法,給出了相應的設計原理和試驗數據。該方法實(shí)現了電阻與溫度之間非線(xiàn)性校正,并具有硬件電路設計簡(jiǎn)單,使用方便,測量精度高等特點(diǎn)。
　　溫度是國際單位制基本的物理量之一,溫度檢測在工業(yè)自動(dòng)化和科學(xué)研究領(lǐng)域應用非常廣泛。鉑電阻溫度傳感器是利用金屬鉑在溫度變化時(shí)自身電阻值也隨之改變的特性來(lái)測量溫度的，顯示儀表將會(huì )指示出鉑電阻的電阻值所對應的溫度值。由于鉑的特性穩定,不會(huì )因高低溫而引起物理或化學(xué)變化，且測量范圍大、測溫精度高、示值復現性高等特點(diǎn),是一種廣泛應用的測溫元件。但是鉑電阻的電阻R和溫度t之間的特性曲線(xiàn)是非線(xiàn)性的,在精密測量系統中,必須進(jìn)行線(xiàn)性校正。此外,對于電阻型溫度傳感器,必須設法消除傳感器引線(xiàn)電阻對溫度的影響。
1線(xiàn)性校正原理
　　Pt100電阻Rt和溫度t國際分度表函數R(t)可用公式(1)和(2)表示。在-200℃≤t≤0℃時(shí)，
Rt=R0(1+At-Bt²+C(t-100)t³)              (1)
在0℃≤t≤600℃時(shí),
Rt=R0(1+At-Bt²)                       (2)
　　式中Rt為溫度t℃時(shí)的鉑電阻值;R0為溫度0℃時(shí)的鉑電阻值,采用Pt100,即R0=100Ω;A、B、C是由實(shí)驗室確定的常數,它們的數值分別為A=3.90802×10^-3,B=5.802×10^-7,C=-4.2735×10^-12.
圖1中曲線(xiàn)α為電阻Rt和溫度t之間的特性曲線(xiàn),由圖1可以看出,Rt和溫度t之間存在非線(xiàn)性關(guān)系,Rt隨溫度t的不斷升高有下降的趨勢。如果已知電阻Rt可以直接根據公式2得出溫度t,由.于公式中存在開(kāi)方計算，則軟件方面開(kāi)銷(xiāo)較大。用硬件進(jìn)行溫度校正的方法有很多,通常采用正反饋電路對溫度加以補償,但對硬件設計要求較高。亦可以通過(guò)軟件查表方法得到溫度值,但該方法在測溫精度高,測量范圍大的場(chǎng)合不太適用，因為電阻Rt的值過(guò)于細分,表格容量較大，占ROM空間較大,查表時(shí)間較長(cháng)。
 
　　對公式(2)進(jìn)行在工程設計允許的范圍內進(jìn)行線(xiàn)性變換,并根據正反饋原理對誤差進(jìn)行適當補償,得到一種新的計算方法，該方法不需要設計硬件電路進(jìn)行非線(xiàn)性校正,簡(jiǎn)化了硬件電路設計,而且去除了原有公式中的開(kāi)方計算,大大降低了軟件計算方面的開(kāi)銷(xiāo),該方法用C語(yǔ)言編程很容易實(shí)現。
　　假設電阻Rt和溫度T成線(xiàn)性關(guān)系,即:
Rt=R0(1+AT)                   (3)
　　圖1中曲線(xiàn)α為電阻Rt和溫度t之間的特性曲線(xiàn),曲線(xiàn)b為電阻Rt和溫度T之間的特性曲線(xiàn)。
　　則t=T+△t,所以由電路測出t℃時(shí)的熱電阻的電阻值R,根據(3)式求出溫度T,再找到相應的△t,即.可得到t。以0℃≤t≤500℃時(shí)為例:.
　　由(2)式和(3)式可得:
 
 
　　表1為已知實(shí)際溫度t根據公式(2)求出電阻R,再根據(4)求出T,再根據公式(8)和(10)分別求出△t，t'。由表1可以看出:1)校正后溫度從0℃到500℃的t(實(shí)際溫度)和t'(測量溫度)最大絕對誤差不超過(guò)0.233℃,測量精度可優(yōu)于0.05%;2)絕對誤差的方向是一致的。
 
2測量電路實(shí)現
　　在鉑電阻測溫電路中若采用二線(xiàn)制接法,它是最簡(jiǎn)單、最經(jīng)濟的一種測量方式,但傳感器電阻變化值與引線(xiàn)電阻值共同構成傳感器的輸出值,引線(xiàn)電阻必然要影響測溫精度,一般用于對溫度測量精度要求不高的地方,并且引線(xiàn)不宜過(guò)長(cháng),不適用于本系統。三線(xiàn)制電路的連接方式是工業(yè)測量領(lǐng)域中應用較為廣泛的一種測量方式,測量電路一般是不平衡電橋,用這種方式,較四線(xiàn)制而言少一根連接線(xiàn),電路簡(jiǎn)單、經(jīng)濟,還可以實(shí)現較精度高的測量,但是必須為全等臂電橋,否則不可能完全消除導線(xiàn)電阻的影響。采用四線(xiàn)制電路的連接方式,它是一種不受接線(xiàn)電阻影響的精度高測溫電路連接方式。雖然增加了接線(xiàn)數,但可以保證電路不受接線(xiàn)電阻的影響,精度高測量?jì)x器幾乎都采用這種方式,亦采用四線(xiàn)制接線(xiàn)方式來(lái)消除連接線(xiàn)對測溫精度的影響。
 
　　Pt100傳感器四線(xiàn)制測量電路如圖2所示(4根引線(xiàn)的電阻為Ra、Rb、Rc和Rd)。Is為恒流源,R,為Pt100阻值,放大器為差分放大器。Pt100兩端電壓U1=IsRt。
　　引線(xiàn)Rb、Rd存在電阻會(huì )影響測量結果,為此,將Rb、Rd端信號和高輸入電阻抗的差分放大器輸入端連接,這樣Rb、Rd中電流I≈0,Rb、Rd電阻可忽略不計,所以有U;=U1.這就從原理上消除了引線(xiàn)電阻對測溫的影響。
　　如測量電路采用如圖2所示恒流源電路可得:
 
　　如果測量范圍在0到100℃,則U'=AT,范圍在0到0.39之間?？稍O計放大電路,放大倍數為12倍左右，則經(jīng)A/D轉換的電壓U"在0到4.68V,該測量范圍較為合理;如果測量范圍在0到200℃,可調整放大倍數為6左右,仍然可以得到相同的測量范圍。所以只要準確的測出電阻R,上的電壓U既可根據公式(12)得到AT,根據公式(10)得到要測量的溫度t'。
3實(shí)驗結果與結論
　　根據上述原理設計出四線(xiàn)制恒流源Pt100測量電路,并根據公式(10)、(12)得到計算結果,該方法硬件電路設計簡(jiǎn)單,軟件計算量較小，編程簡(jiǎn)單,完全能夠滿(mǎn)足多數測量精度要求較高的場(chǎng)合。另外根據表1,測量的絕對誤差方向總是一致的,如果要求測量溫度范圍大和測量精度高,還可以進(jìn)行軟件的適當修正。