鉑電阻溫度傳感器實(shí)現(xiàn)線性測(cè)溫方案的研究

郝桂青 李健飛

(中海油田服務(wù)股份有限公司，北京 101149)

0 引言

鉑熱電阻已被公認(rèn)是溫度敏感元件中準(zhǔn)確度和重復(fù)性好的傳感器。它具有測(cè)溫范圍大、穩(wěn)定性好、示值復(fù)現(xiàn)性高和耐氧化等特點(diǎn)，常被用作國際標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)，并應(yīng)用于各種測(cè)溫場(chǎng)合。在智能溫度檢測(cè)中，溫度測(cè)量電路的典型用法是前端采用不平衡電橋測(cè)量鉑電阻隨溫度變化的毫伏信號(hào)輸出，再經(jīng)過放大和A/D轉(zhuǎn)換，傳送到單片機(jī)中進(jìn)行運(yùn)算和處理。但在這種檢測(cè)電路中，由于不平衡電橋的非線性特性以及鉑電阻的阻值和溫度之間的非線性特性(在高溫端尤其嚴(yán)重)，給最后的溫度測(cè)量帶來了很大的誤差。本方案采用恒流源替代不平衡電橋，對(duì)傳統(tǒng)的電路進(jìn)行校正補(bǔ)償，有效地解決了鉑電阻和不平衡電橋的非線性誤差問題，提高了測(cè)溫精度。

1 鉑電阻Pt100的電阻特性

按照國際電工委員會(huì)的鉑熱電阻技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，鉑電阻Pt100在0～650℃范圍內(nèi)溫度-電阻關(guān)系可采用函數(shù) R(t)表示［1］，即:R(t)=R0(1+At+Bt2)，其中 Rt、R0分別為t℃和0℃時(shí)的鉑電阻阻值，A=3.90802 ×10－3/℃，B= －5.80195 ×10–7/℃2，Pt100 的非線性特性曲線如圖1所示。R(t)函數(shù)是一開口向下的拋物線［2］。其中曲線①為Pt100特性曲線，曲線②為線性化的理想直線。

圖1 Pt100的非線性特性曲線Fig.1 Nonlinear characteristic curve of Pt100

由圖1可以看出，在0～650℃測(cè)溫范圍內(nèi)存在非線性項(xiàng)Bt2，且為負(fù)值，因而電阻的變化率隨著溫度的升高而下降。經(jīng)理論計(jì)算，Pt100在0～500℃區(qū)間的非線性誤差為1.29094%;在0～100℃的非線性誤差為0.1%;特別是在250℃時(shí)鉑電阻的非線性誤差最大，達(dá)4%左右。所以在靠標(biāo)定點(diǎn)的0～100℃小范圍測(cè)溫時(shí)，可以按線性處理。在測(cè)量范圍大時(shí)，鉑電阻的非線性越來越嚴(yán)重，已不能適應(yīng)高精度測(cè)量的要求。因此，必須對(duì)其作線性化處理。

2 線性測(cè)溫方案的研究

2.1 常規(guī)的測(cè)溫方法

由Pt100構(gòu)成信號(hào)的獲取電路常用的方法有兩種，一種是十分常見的單臂橋電路，另一種是運(yùn)用恒流源電路，電路結(jié)構(gòu)如圖2所示［3］。

圖2 電路結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of circuits

單臂橋有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)態(tài)特性良好等特點(diǎn)，在溫度檢測(cè)中得到了極為廣泛的應(yīng)用，但當(dāng)Rt=R0=R時(shí)，ΔU=0，當(dāng)被測(cè)溫度改變時(shí)，橋臂溫度鉑電阻Rt相應(yīng)變?yōu)?

則經(jīng)推導(dǎo)可得電橋的輸出電壓為:

式中:ΔU為電橋輸出電壓;R為橋臂電阻;ΔRt為溫度變化時(shí)Pt100的電阻變化值。

式(2)中存在著橋臂電阻Rt和電橋輸出電壓ΔU之間的非線性問題。由以上公式可知，產(chǎn)生不平衡電橋非線性的根本原因是當(dāng)Rt發(fā)生變化時(shí)，Rt側(cè)橋臂上的電流I2也發(fā)生了相應(yīng)的變化。從而可以推算出，當(dāng)ΔRt/R=10%時(shí)，輸出電壓非線性誤差可達(dá)6%，顯然也不能適應(yīng)高精度的測(cè)量要求。

恒流源電流通過溫度傳感器時(shí)，溫度傳感器兩端的電壓即反映溫度的變化。如果該側(cè)電流由恒流源提供，那么不平衡電橋非線性問題就能得到解決;且由于恒流源的作用，使得電壓輸出與電阻呈良好的線性關(guān)系，因此，恒流源式可以解決溫度測(cè)量中鉑電阻非線性的問題。

2.2 線性化測(cè)溫方案的實(shí)現(xiàn)

2.2.1 恒流源式溫度采集電路的設(shè)計(jì)

高準(zhǔn)確度恒流源無疑是決定測(cè)溫準(zhǔn)確度的關(guān)鍵因素，盡可能少的分立元件，無疑會(huì)減少分布參數(shù)的影響。因?yàn)殡娏鬟^小，將降低信噪比;而電流過大，鉑電阻的自熱效應(yīng)會(huì)影響測(cè)試準(zhǔn)確度，所以，在此選用精密電壓源和精密電阻器來得到1 mA精密電流源［4］，恒流源式溫度信號(hào)采集電路如圖3所示［5］。

圖3 恒流源式溫度采集電路Fig.3 Temperature acquisition circuit based on constant current source

圖3中，精密電壓源為低功率、低漂移、精密電壓基準(zhǔn) LM136-2.5，外加調(diào)整電路，Vref電壓可調(diào)整為2.5 V參考電源。由于運(yùn)放虛地的結(jié)果，造成儀表放大器AD627的反相輸入端為0 V［6］，且運(yùn)放的輸入阻抗極高，輸入端可以認(rèn)為不吸入電流，因此，從1.5 kΩ電阻上流過的電流大小固定且等于AD627輸出端流入Pt100鉑熱電阻溫度傳感器的電流，從而達(dá)到恒流的效果。連接Pt100兩端的壓差正好反映溫度變化的信號(hào)送入后級(jí)的儀表放大器AD627進(jìn)行放大處理。

R1、U1、U2的精度及溫度穩(wěn)定性直接影響恒流的效果。因此，為達(dá)到良好的恒流效果，選用0.01%的溫漂小的電阻和穩(wěn)定性高的參考電源;輸入阻抗選擇高輸入阻抗AD627，從而提高電路的穩(wěn)定性和精度。

2.2.2 線性化測(cè)溫的實(shí)現(xiàn)方法

溫度測(cè)量系統(tǒng)是將來自現(xiàn)場(chǎng)傳感器的信號(hào)經(jīng)過采集放大后，送到微處理器的A/D通道進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)化處理并顯示在液晶顯示器上。線性測(cè)溫儀原理框圖如圖4所示。

圖4 線性測(cè)溫儀原理結(jié)構(gòu)框圖Fig.4 Structure of the linear temperature measurement instrument

測(cè)溫系統(tǒng)主要包括構(gòu)成智能測(cè)量系統(tǒng)核心的微處理器CPU［7］、檢測(cè)溫度的Pt100溫度傳感器、信號(hào)的采集放大電路(恒流源電路、偏置放大電路)、輸出顯示單元、溫度控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)和電源供電電路。其中，CPU可采用ADI公司生產(chǎn)的ADUC831微處理器［8］。該芯片具有豐富的 I/O端口;片內(nèi)有2 kB RAM、62 kB Flash、4 kB EEPROM;SCI、SPI、PWM 和串行接口模塊;8路12位A/D模塊可用于溫度信號(hào)等的檢測(cè)，大大簡(jiǎn)化了外圍電路和軟件設(shè)計(jì)。

采集放大的溫度信號(hào)經(jīng)ADUC831的12位A/D轉(zhuǎn)化運(yùn)算后，發(fā)送到LCD顯示器上加以顯示［9］。此外，微處理器的輸出還可以按照實(shí)際要求外接一些溫度控制執(zhí)行元件。這些元件根據(jù)溫度的變化實(shí)現(xiàn)一部分控制，此控制信號(hào)由CPU根據(jù)軟件程序經(jīng)微處理器的PB口輸出執(zhí)行。

采用以上方案設(shè)計(jì)的測(cè)溫系統(tǒng)進(jìn)行溫度測(cè)量，需要對(duì)該測(cè)溫電路進(jìn)行標(biāo)定。測(cè)溫系統(tǒng)測(cè)溫范圍設(shè)計(jì)為t=0～350℃，則對(duì)應(yīng)的鉑電阻 Pt100阻值 Rt=100 ～231 Ω，ΔR=0 ～131.73 Ω，標(biāo)定時(shí)可調(diào)節(jié)放大電路圖3中的 p02。檢測(cè) AD627的輸出電壓，使輸入ADUC831的A/D端的輸入電壓為0～5 V。由于采用的ADUC831中的A/D為12位的，則A/D變換器分辯率為1/4096。一個(gè)量化單位代表測(cè)量電壓值5000/4096 mV≈1.22 mV，一個(gè)量化單位的測(cè)量電壓值折合成一個(gè)量化單位的溫度值為350/4096=0.085℃。由此可以看出，非線性校正誤差的大小主要取決于量化單位的大小，所以在本方案中，在測(cè)溫范圍t=0～350℃內(nèi)，測(cè)溫精度可以達(dá)到±0.045 K，達(dá)到了高精度的測(cè)量要求。

采用該方案進(jìn)行溫度測(cè)量，得到的溫度試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 溫度測(cè)量試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.1 The test data of temperature measurement

從測(cè)試結(jié)果看，樣機(jī)最大誤差為0.06 K。該誤差的主要來源一方面是基準(zhǔn)恒流源引起的漂移誤差［10］，另一方面是CPU進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換的精度。

3 結(jié)束語

該線性化測(cè)溫系統(tǒng)較好地解決了鉑電阻測(cè)溫電路中不平衡電橋的非線性誤差問題。經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，其性能穩(wěn)定可靠，測(cè)溫誤差一直保持在0.1 K之內(nèi)，所以該測(cè)量方案測(cè)量的溫度一致性好、精度高、穩(wěn)定性好，可在智能溫度檢測(cè)中廣泛應(yīng)用。

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