鉑電阻精度高溫度測量系統

摘要:為了滿(mǎn)足工業(yè)生產(chǎn)對溫度測量的精度高要求,研制了種恒流源微電流驅動(dòng)四線(xiàn)制鉑電阻P100的精度高溫度測量系統。分析了引起系統測量誤差的原因，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計原理和參數選擇準則;說(shuō)明了測鼂系統的標定方法。該系統采用四線(xiàn)制鉑電阻Pt100作為溫度傳感器，由恒流源微電流驅動(dòng)產(chǎn)生電壓，可以完全去除鉑電阻自身的引線(xiàn)電阻、有效減少自熱效應;通過(guò)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中的干擾信號,降低外界干擾對測最系統的影響,增強測量系統穩定性、可靠性和正確性。測試結果表明，該系統性能穩定可靠,標定后測量誤差小于±0.03℃。
0引言
　　溫度是工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中非常重要的測量參數,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(zhù)測量技術(shù)的發(fā)展,對溫度測量精度的要求也越來(lái)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要求溫度測量?jì)?yōu)于0.05℃鉑電阻溫度傳感器因具有精度高線(xiàn)性度好、響應速度快等諸多優(yōu)點(diǎn),被作為工業(yè)精密測量系統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(xiàn)電阻、自熱效應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硬件電路的-些基本要求,但是測量精度不佳;方益喜等[3]設計了恒流源驅動(dòng)三線(xiàn)制鉑電阻的精度高溫度測量系統，較好地提供了測量誤差和溫度漂移的校準方法,但是沒(méi)有很好地解決引線(xiàn)電阻對溫度測量的影響;汪國定等[4]提出了恒流源驅動(dòng)四線(xiàn)制鉑電阻測量方法,有效解決了鉑電阻的引線(xiàn)電阻和自熱效應，但是沒(méi)有詳細分析實(shí)際應用過(guò)程中外界干擾對系統測量的影響,也未給出相應的抑制措施。
　　采用微電流驅動(dòng)四線(xiàn)鉑電阻Pt100的測溫方案,可以完全去除引線(xiàn)電阻引起的誤差,有效減少自熱效應,通過(guò)使用軟、硬件抗干擾濾波技術(shù)降低噪聲、抑制干擾、減少系統誤差,提高系統的測量精度和穩定性。
1鉑電阻精度高溫度測量系統
　　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國際標準6],現在常用的Pt100(R。=100Ω)是以溫度系數TCR=0.003851為標準統一設計的鉑電阻。它的溫度電阻特性是:
 
　　根據Pt100的溫度特性,四線(xiàn)制鉑電阻Pt100精度高測溫系統如圖1所示。系統主要由恒流源驅動(dòng)電路、四線(xiàn)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采樣電路構成。系統正常測溫時(shí),恒定電流通過(guò)Pt100產(chǎn)生相應的電壓信號,先進(jìn)人儀用放大電路,去除共模干擾并進(jìn)行適當放大,再通過(guò)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轉換器。A/D轉換后的數字信號進(jìn)人單片機系統進(jìn)行數字濾波,最終通過(guò)公式計算得出真實(shí)溫度。
 
2電路設計與參數選擇
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轉換成可測量的電壓信號。根據元器件發(fā)熱公式(P=I²×R)可知,鉑電阻上流過(guò)的電流I不宜過(guò)大,影響系統測量精度。
　　恒流源電路如圖2所示,其中,運算放大器U1構成加法器,U2構成電壓跟隨器。U1、U2選用低噪聲、低失調高開(kāi)環(huán)增益的雙極性運算放大器OP07CD。Vr為恒流源參考電壓,由超低噪聲LDOXFET基準電壓源A/DR441B提供穩定電壓,溫度系數為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、溫度穩定性好、負載一端可接地、輸出電流大小極性可改變等特點(diǎn)。電流大小Iout可以通過(guò)Rref和Vref調節,計算公式如下:
 
2.2四線(xiàn)制鉑電阻接口電路
　　在鉑電阻精度高溫度測量系統中,引線(xiàn)電阻--定不能忽略。常規的二線(xiàn)制、三線(xiàn)制鉑電阻測溫方法是忽略其引線(xiàn)電阻或者近似引線(xiàn)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。
假設兩線(xiàn)制Pt100引線(xiàn)采用長(cháng)度為1m,直徑為1mm的銅線(xiàn),銅線(xiàn)的電阻率約為0.0201,則四線(xiàn)制Pt100的引線(xiàn)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(xiàn)誤差為0.0512Ω/0.3851(Ω/℃)=0.1329℃,且引線(xiàn)越長(cháng)，誤差越大。
　　為消除鉑電阻引線(xiàn)電阻對測量精度造成的影響，Pt100采用四線(xiàn)制接法。四線(xiàn)制接口電路如圖3所示，分為恒流源動(dòng)力引線(xiàn)和電壓驅動(dòng)引線(xiàn)兩部分。其中，R1、R2兩條引線(xiàn)屬于恒流源動(dòng)力引線(xiàn),將鉑電阻傳感器連接到恒流源;R3、R4兩條電壓驅動(dòng)引線(xiàn)將鉑電阻的電壓信號連接到儀用放大電路。由此將驅動(dòng)Pt100的恒流源與溫度檢測電路分開(kāi),保證即使R1和R2兩條引線(xiàn)電阻出現變化產(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中常見(jiàn)的一種干擾,主要由外界功率器件感應耦合、輻射耦合以及電路不平衡性產(chǎn)生”。恒流源通過(guò)四線(xiàn)制鉑電阻產(chǎn)生的差分信號通過(guò)儀用放大電路輸出一個(gè)單端對地的信號，能夠有效減少系統中共模干擾對其影響。
　　儀用放大電路設計如圖4所示。由運算放大器U3、U4按同相輸入接法組成第一-級差分放大電路,運算放大器U5組成第二級差分放大電路,將U3、U4的輸出作為U5的輸人。電壓增益由電阻調節,其中R11=R12,R13=R14。該儀用放大器具有增益可調節、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.計算公式如下:
 
2.4抗混疊濾波與采樣保持電路
　　在測溫系統的數據采集過(guò)程中,不可避免地會(huì )混入干擾信號。常見(jiàn)的干擾信號有電力線(xiàn)頻率在50Hz或60Hz的工頻噪聲以及其他高頻設備產(chǎn)生的噪聲等。當這些信號的頻率超過(guò)奈奎斯特采樣定理所規定的范圍時(shí)，就會(huì )采集到一些混疊信號并對有用信號造成干擾,即頻率混疊8。這種頻率混疊信號即使后續電路中有數字濾波也不能完全消除干擾。為了最大程度地抑制混淆現象，需要采用抗混疊濾波和采樣保持電路將混疊信號進(jìn)行衰減和濾除。
　　抗混疊濾波電路設計如圖5所示。虛線(xiàn)部分(1)是由電阻R15和電容C組成的RC低通濾波電路,能夠濾除高頻信號中大于低通濾波電路截止頻率1/2πRC的干擾信號9。虛線(xiàn)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上的電壓都達不到穩定,增加系統干擾,影響采集精度,因此必須增大電容C的容值。假設使用24位A/D轉換器,當C1/C2>2²⁴時(shí),就可以大幅度減小由電容充放電帶來(lái)的干擾。
 
2.5AD轉換器
　　A/D轉換器是數據采集器的核心器件,決定了系統的測量精度。選用24位高分辨率A/D轉換器CS5550,電壓增益10倍、50倍可選,增益后電壓輸人范圍-2.5V~+2.5V,最高轉換速度為4000sps,自帶數字濾波器,通過(guò)配置寄存器的轉換次數進(jìn)行均值濾波,24bit雙極性輸出，最高位表示符號位。單片機通過(guò)SPI總線(xiàn)和CS5550連接。
2.6電路參數選擇
　　系統實(shí)際測量過(guò)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轉換器的放大增益,選擇合適的電路參數。
　　設實(shí)際溫度為T(mén),測量電壓為V。當實(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(kāi)即電阻趨于無(wú)窮大根據式(3)計算輸出增益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,通過(guò)低頻信號。設置AD轉換器電壓增益為50,使其輸人電壓在1.250V-1.731V之間，維持在其滿(mǎn)量程的1/2~2/3,充分發(fā)揮A/D轉換性能。
　　根據上述參數設置和公式(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系統標定和誤差分析
　　由于鉑電阻Pt100的自身精度以及電路中元器件的漂移,根據理論公式計算得出的溫度會(huì )和真實(shí)溫度會(huì )存在一定偏差。系統選用不同鉑電阻進(jìn)行測溫時(shí),必須先進(jìn)行溫度標定,求得電壓和溫度的實(shí)際對應關(guān)系。
　　采用RTS--35A制冷恒溫槽與精度0.01℃高精密溫度計進(jìn)行溫度標定,該恒溫槽穩定后溫度波動(dòng)度為+0.01℃/30min。在10C~80℃范圍內，鉑電阻測溫系統每隔10℃進(jìn)行一次溫度測量。測量時(shí)A/D采樣速率選用500sps,待恒溫槽溫度穩定后,對每組溫度進(jìn)行100s的采集,進(jìn)而對所求的50000個(gè)測量電壓求平均,測量溫度由理論公式(7)計算得出,實(shí)際溫度由精度高溫度計測量得出。標定前測量數據如表1所示。
 
　　由表1可知,標定前測量溫度和實(shí)際溫度誤差超過(guò)0.3℃,說(shuō)明根據理論公式計算的溫度和實(shí)際真實(shí)溫度存在較大誤差,必須進(jìn)行溫度標定。根據這8組不同溫度下恒溫槽的實(shí)際溫度和系統實(shí)際測得電壓值采用最小二乘法進(jìn)行線(xiàn)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)
　　根據線(xiàn)性擬合公式(8)再次測量恒溫槽的溫度，測量數據如表2所示。
 
　　通過(guò)測量結果分析,系統根據擬合公式測得的溫度和實(shí)際溫度的誤差不超過(guò)±0.03℃。通過(guò)表1和表2測量誤差數據對比分析可知,系統通過(guò)溫度標定之后測量誤差有了明顯降低。
4結束語(yǔ)
　　設計了一種精度高溫度測量系統:由恒流源微電流驅動(dòng)四線(xiàn)制鉑電阻Pt100,產(chǎn)生的電壓信號先經(jīng)過(guò)儀用放大電路進(jìn)行放大,然后通過(guò)抗混疊濾波電路和采樣保持電路濾波,進(jìn)人精度高A/D轉換器進(jìn)行信號采集,最后單片機根據特定公式計算出真實(shí)的溫度值。該系統能夠有效克服鉑電阻自身的引線(xiàn)電阻,減小自熱效應,降低外界干擾對測量系統的影響。
　　通過(guò)恒溫槽測溫實(shí)驗和誤差分析可知,該測溫系統達到了測量精度高、誤差小的設計要求,具有良好的可靠性、穩定性和實(shí)用性,標定后溫度測量誤差小于±0.03℃,可以滿(mǎn)足工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中對溫度測量的精度高要求。