基于PT1000的高精度溫度測量系統(tǒng)

方益喜，雷開卓，屈健康，劉 奎，喬子椋，楊海波

（西北工業(yè)大學(xué) 航海學(xué)院，陜西 西安 710072）

精密化學(xué)、生物醫(yī)藥、精細化工、精密儀器等領(lǐng)域?qū)囟瓤刂凭鹊囊髽O高，而溫度控制的核心正是溫度測量[1]。采用鉑電阻測量溫度是一種有效的高精度溫度測量方法，但具有以下難點[2]：引線電阻、自熱效應(yīng)、元器件漂移和鉑電阻傳感器精度。其中，減小引線電阻的影響是高精度測量的關(guān)鍵點。對于自熱效應(yīng)，根據(jù)元件發(fā)熱公式P=I2R，必須使流過元件的電流足夠小才能使其發(fā)熱量小，傳感器才能檢測出正確的溫度。但是過小的電流又會使信噪比下降，精度更是難以保證。此外，一些元器件和儀器很難滿足元器件漂移和鉑電阻傳感器精度的要求。

易先軍等[3]提出了以鉑電阻為測溫元件的高精度溫度測量方案，解決了高精度測量對硬件電路的一些苛刻要求問題，但是精度不佳（±0.4℃）；楊彥偉[4]提出了以 MAX1402、AT89C51和Pt500鉑電阻設(shè)計的精密溫度測量系統(tǒng)方案解決了基本的高精度問題，但是系統(tǒng)功耗大，精度仍然不佳；李波等[5]提出采用以負溫度系數(shù)熱敏電阻為核心的高精度測量方案，較好解決了高精度的問題，但是性價比不高，實施效果不佳，測溫分辨率能達到0.01℃，測溫準(zhǔn)確度只達到0.1℃。這里提出采用三線制恒流源驅(qū)動方案克服引線電阻、自熱效應(yīng)，利用單片機系統(tǒng)校正控制方案實現(xiàn)元器件漂移和鉑電阻傳感器精度校準(zhǔn)，最后在上位機中采用MLS數(shù)值算法實現(xiàn)噪聲抵消，大大提高了溫度測量精度和穩(wěn)定度。

1 高精度測量方案及原理

鉑電阻傳感器是利用金屬鉑（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[6]。以鉑電阻作為測溫元件進行溫度測量的關(guān)鍵是要能準(zhǔn)確地測量出鉑電阻傳感器的電阻值。按照IEC751國際標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)在常用的Pt1000（R0=1 000 Ω）是以溫度系數(shù)TCR=0.003 851為標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一設(shè)計的鉑電阻[7]。其溫度電阻特性是：

當(dāng)－200℃＜t＜0℃時，

當(dāng) 0℃＜t＜850℃時

Rt為在t℃時的電阻值，R0為在0℃時的電阻值。TCR=0.003 851 時的系數(shù)值為：A=3.908 3×10－3℃－1，B=－5.775×10－7℃－2，C=－4.183×10－12℃－4

本溫度測量系統(tǒng)采用三線制恒流源驅(qū)動法驅(qū)動鉑電阻傳感器。三線制恒流源驅(qū)動法是指用硬件電路消除鉑電阻傳感器的固定電阻 （零度電阻），直接測量傳感器的電阻變化量。圖1為三線制恒流源驅(qū)動法高精度測量方案，參考電阻與傳感器串聯(lián)連接，用恒流源驅(qū)動，電路各元件將產(chǎn)生相應(yīng)的電壓，傳感器因溫度變化部分電阻的電壓可以由后面的放大電路和A/D轉(zhuǎn)換器直接測量，并采用2次電壓測量--交換驅(qū)動電流方向，在每個電流方向上各測量一次。其特點是直接測量傳感器的電阻變化量，A/D轉(zhuǎn)換器利用效率高，電路輸出電壓同電阻變化量成線性關(guān)系。傳感器采用三線制接法能有效地消除導(dǎo)線電阻和自熱效應(yīng)的影響。利用單片機系統(tǒng)控制兩次測量電壓可以避免接線勢壘電壓及放大器、A/D轉(zhuǎn)換器的失調(diào)與漂移產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差，還可以校準(zhǔn)鉑電阻傳感器精度。恒流源與A/D轉(zhuǎn)換器共用參考基準(zhǔn)，這樣根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換器的計量比率變換原理，可以消除參考基準(zhǔn)不穩(wěn)定產(chǎn)生的誤差，不過對恒流源要求較高，電路結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。為了進一步克服噪聲和隨機誤差對測量精度和穩(wěn)定度的影響，最后在上位機中采用MLS數(shù)值算法實現(xiàn)噪聲抵消，大大提高了溫度測量精度和穩(wěn)定度。

圖1 三線制恒流驅(qū)動法高精度測量方案Fig.1 Schematic of high-precision measurement based on three-wire constant-current driving

2 系統(tǒng)電路設(shè)計

2.1 三線制恒流源驅(qū)動電路

恒流源驅(qū)動電路負責(zé)驅(qū)動溫度傳感器Pt1000，將其感知的隨溫度變化的電阻信號轉(zhuǎn)換成可測量的電壓信號。本系統(tǒng)中，所需恒流源要具有輸出電流恒定，溫度穩(wěn)定性好，輸出電阻很大，輸出電流小于0.5 mA（Pt1000無自熱效應(yīng)的上限），負載一端接地，輸出電流極性可改變等特點。

由于溫度對集成運放參數(shù)影響不如對晶體管或場效應(yīng)管參數(shù)影響顯著，由集成運放構(gòu)成的恒流源具有穩(wěn)定性更好、恒流性能更高的優(yōu)點。尤其在負載一端需要接地的場合，獲得了廣泛應(yīng)用。所以采用圖2所示的雙運放恒流源。其中放大器UA1構(gòu)成加法器，UA2構(gòu)成跟隨器，UA1、UA2均選用低噪聲、低失調(diào)、高開環(huán)增益雙極性運算放大器OP07。

設(shè)圖2中參考電阻Rref上下兩端的電位分別Va和Vb，Va即為同相加法器UA1的輸出，當(dāng)取電阻R1=R2，R3=R4時，則Va=VREFx+Vb，故恒流源的輸出電流就為：

由此可見該雙運放恒流源具有以下顯著特點：

圖2 三線制恒流源驅(qū)動電路Fig.2 Driving circuit of three-wire constant-current source

1）負載可接地；2）當(dāng)運放為雙電源供電時，輸出電流為雙極性；3）恒定電流大小通過改變輸入?yún)⒖蓟鶞?zhǔn)VREF或調(diào)整參考電阻Rref0的大小來實現(xiàn)，很容易得到穩(wěn)定的小電流和補償校準(zhǔn)。

由于電阻的失配，參考電阻Rref0的兩端電壓將會受到其驅(qū)動負載的端電壓Vb的影響。同時由于是恒流源，Vb肯定會隨負載的變化而變化，從而就會影響恒流源的穩(wěn)定性。顯然這對高精度的恒流源是不能接受的。所以 R1，R2，R3，R4這 4個電阻的選取原則是失配要盡量的小，且每對電阻的失配大小方向要一致。實際中，可以對大量同一批次的精密電阻進行篩選，選出其中阻值接近的4個電阻。

2.2 信號調(diào)理電路

信號調(diào)理電路如圖3所示，放大器UA3對參考電阻Rref的端電壓進行單位放大后得到差分放大器反向輸入端信號，其值為

放大器UA4對溫度傳感器 Rt（Pt1000）的端電壓放大 2倍后得到差分放大器的正向輸入端信號，其值為

其中，電阻R5和R6的選擇原則與之前恒流源分析中的比例電阻選擇原則相同，即通過對大量普通標(biāo)稱電阻進行篩選，從中選取阻值最接近的。

圖3 信號調(diào)理電路Fig.3 Signal processing circuit

2.3 A/D轉(zhuǎn)換電路

A/D轉(zhuǎn)換電路由一個集成A/D轉(zhuǎn)換器AD7712完成，同時將利用其內(nèi)部的PGA完成儀表放大器的差分放大功能。AD7712是適合低頻測量的高精度A/D轉(zhuǎn)換器。片內(nèi)含有2個輸入通道AIN1和AIN2，能將模擬信號轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)輸出。利用AD7712實現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換采集的原理電路如圖4所示，實際工作時需要對其進行配置。選用差分輸入通道AIN1，輸入信號極性為雙極性。

圖4 AD7712的典型接線電路Fig.4 Typical circuit for AD7712

測量結(jié)果的誤差主要來源于參考電阻Rref、Rref0的誤差，以及差分放大倍數(shù)k和A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換輸出的誤差。為了達到要求的測量精度，參考電阻Rref、Rref0將采用定制的UPR塑封金屬箔電阻，這種電阻具有0.05%的初始精度，小于5 ppm的溫度穩(wěn)定性。AD7712的非線性誤差小于0.001 5%，增益溫度穩(wěn)定性小于2 ppm，并且還可以通過單片機對AD7712進行校準(zhǔn)來減小其非線性誤差以及增益誤差。

3 定標(biāo)與實測結(jié)果

3.1 測量系統(tǒng)定標(biāo)

首先用高精度電阻箱（誤差5 ppm）代替Pt1000對測量系統(tǒng)進行定標(biāo)。根據(jù)式2所示的實測Pt1000電阻/溫度關(guān)系標(biāo)定數(shù)據(jù)，通過改變電阻箱的取值來設(shè)定相對應(yīng)的測試溫度點標(biāo)稱值，經(jīng)過測量系統(tǒng)、A/D采樣和上位機程序計算，得到測量溫度顯示值。根據(jù)初測數(shù)據(jù)對測量電路、補償電壓進行校準(zhǔn)后，得到測量系統(tǒng)定標(biāo)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 測量系統(tǒng)定標(biāo)結(jié)果及誤差Tab.1 Calibrating results and errors of measurement system

從表1測量數(shù)據(jù)可見，測量系統(tǒng)引入的最大誤差為0.003℃。因此只要Pt1000鉑電阻的定標(biāo)誤差足夠小，精度高，整個溫度測量系統(tǒng)就可以滿足高精度的測量要求。

3.2 恒溫箱實測

將鉑電阻傳感器Pt1000接入測量系統(tǒng)，并置入高精度恒溫箱中（溫控精度0.01℃）進行整個溫度測量系統(tǒng)定標(biāo)測量。測量時要注意恒溫箱的密封，以提高環(huán)境溫度穩(wěn)定性；恒溫箱溫度穩(wěn)定后，每隔3 min對同一溫度點進行20次測量。測量溫度值數(shù)據(jù)及處理結(jié)果如表2所示。由于設(shè)備條件所限，測量溫度范圍只有（10～70℃）。

表2 恒溫箱測量結(jié)果及誤差Tab.2 Measuring results and errors of the constant-temperature-chest ℃

表2中，隨機誤差是根據(jù)同一溫度點的20次測量數(shù)據(jù)計算出的標(biāo)準(zhǔn)偏差（б=SQR[（xi-X）2/（n-1）]）；系統(tǒng)誤差是恒溫箱設(shè)定溫度與本溫度測量系統(tǒng)測量溫度平均值的差值。由表2中數(shù)據(jù)可見，測量系統(tǒng)的最大隨機誤差為0.005℃，且在接近室溫時最??；測量系統(tǒng)的最大系統(tǒng)誤差為-0.009℃，說明Pt1000鉑電阻傳感器的定標(biāo)誤差較小，精度也較高，能滿足高精度溫度測量系統(tǒng)的測量要求，但溫度高端誤差較大，可能與恒溫箱溫度控制精度有關(guān)，有待于進一步定標(biāo)。

4 結(jié) 論

利用三線制恒流源驅(qū)動Pt1000鉑電阻，有效克服了導(dǎo)線電阻和自熱效應(yīng)對測量精度的影響；利用單片機計算雙極性驅(qū)動電流下的兩次測量電壓可有效避免接線勢壘電壓及放大器、A/D轉(zhuǎn)換器的失調(diào)與漂移產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差；恒流源與A/D轉(zhuǎn)換器共用參考基準(zhǔn)，有效消除了參考基準(zhǔn)不穩(wěn)定產(chǎn)生的誤差。在上位機中采用MLS數(shù)值算法抵消噪聲，進一步克服了噪聲和隨機誤差對測量精度和穩(wěn)定度的影響，大大提高了溫度測量精度和穩(wěn)定度，使得整機最大的測量誤差不大于0.01℃。

[1]薛清華.高精度多通道溫度測量技術(shù)研究[D].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2007.

[2]楊永軍.溫度測量計算現(xiàn)狀和發(fā)展概述[J].計測技術(shù)，2009，29（4）：62-65.YANG Yong-jun.The actuality and development of the temperature measuring[J].Metrology and Measurement Technology，2009，29（4）：62-65.

[3]易先軍，文小玲，劉翠梅.一種高精度溫度測量電路設(shè)計[J].儀器儀表用戶，2008，15（6）：72-73.YI Xian-jun，WEN Xiao-ling，LIU Cui-mei.A high-precision temperature measurement circuit design[J].Electronic Instrumentation Customer，2008，15（6）：72-73.

[4]楊彥偉.高精度溫度測量系統(tǒng)的設(shè)計[J].電子技術(shù)，2004（7）：18-20.YANG Yan-wei.A design of high-precision temperature measurement system[J].Electronic Technology，2004（7）:18-20.

[5]李波，陳光華，徐行，等.基于熱敏電阻的多通道高精度溫度測量系統(tǒng)[J].電子技術(shù)，2008（5）：87-88.LI Bo， CHEN Guang-hua， XU Xing， et al.Multi-channel high-precision temperature measurement system based on NTCR[J].Instrument Technique and Sensor，2008（5）:87-88.

[6]朱育紅.工業(yè)鉑電阻精確測溫方法[J].中國測試技術(shù)，2007，33（4）：50-52.ZHU Yu-hong.An accurate measurement method for platinum resistance[J].China Measurement Technology，2007，33（4）：50-52.

[7]北京賽億凌科技有限公司.鉑電阻溫度傳感器Datasheet[EB/OL].[2010-04-10].http://www.bjsailing.com.cn/product/images/wendu2.pdf.