基于鉑電阻的寬量程溫度測量裝置

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)進行精度高溫度測量一直是研究的熱點問題。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、精度高溫度測量方法。根據(jù)本文研究的方法所設(shè)計的溫度測量系統(tǒng)具有體積小、精度高等特點,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量,也可作為可傳遞的計量標(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)對溫度測量精度和分辨率要求的提高，具有分辨率高、精度高的溫度測量方法的研究、相關(guān)分辨率高、精度高測溫儀器的研發(fā)已收到廣泛的關(guān)注。標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計作為1990年國際溫標(biāo)(ITS-90)規(guī)定的內(nèi)插測溫儀器，是-30-300度溫度段內(nèi)測溫準(zhǔn)確度最高的測溫儀器。鉑電阻作為溫度敏感元件,是鉑電阻溫度計的核心部件。Pt100作為精密測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。將鉑電阻隨溫度變化而產(chǎn)生的阻值變化轉(zhuǎn)換為可被進一步處理的電壓信號的方法通常由兩種:電橋法和恒流源法。電橋法固有的非線性會在測溫系統(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)簡單,但是,由于恒流源的穩(wěn)定性問題，會引入隨機誤差。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、分辨率高溫度測量方法。采用比例測量原理消除恒流源穩(wěn)定性造成的隨機誤差;采用分段測量的方法在-30-300℃范圍內(nèi)進行精度高測量。
1測量原理
　　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量誤差的主要來源。采用比例測量的方法來消除恒流源電流強度的波動。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-時刻,恒流源輸出的電流強度為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同時采集鉑電阻和標(biāo)準(zhǔn)電阻的電壓降,并將電壓降比值進行相除操作,則比值λ=Up/Us=Rp/Rs,這樣就可以消除電流源不穩(wěn)定造成的隨機誤差。
　　設(shè)采集溫度電壓信號的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量的方法，將被測溫度范圍分成三段:-30-80℃、80-190℃、190-300℃三個溫度段。在智能微處理器的控制下,恒流源針對三個不同的溫度段,輸出不同強度的測試電流。使Pt100在每個溫度段內(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。通過這種分段測量方法，可以有效提高溫度測量的分辨率，為精度高溫度測量做好技術(shù)準(zhǔn)備。
2測溫系統(tǒng)設(shè)計
　　根據(jù)比例測量和分段測量的原理,設(shè)計了分辨率高、精度高的鉑電阻溫度測量裝置,其結(jié)構(gòu)及主要元器件型號如圖2所示。
　　鉑電阻為四線制A級Pt100.以LM134作為恒流源的核心器件,分別設(shè)置三個不同阻值的反饋電阻使其能夠輸出0.5mA,0.7mA,ImA三種恒流。電阻的切換由信號繼電器完成。信號繼電器由MCU通過繼電器驅(qū)動器進行控制。-30-80C范圍采用1mA的測試電流、80-190℃范圍采用0.7mA測試電流、190-300℃范圍采用0.5mA的測試電流.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)電阻的信號放大電路的核心器件。對鉑電阻的電壓降放大100倍,對標(biāo)準(zhǔn)電阻的電壓降放大40倍。以-30-80℃為例，當(dāng)采用1mA測試電流時，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INA114的輸出電壓進行模數(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)的溫度分辨率可達到℃。但是，由于ADS1247的穩(wěn)定性和誤差間題，實際的分辨率會低于理論分辨率。測溫裝置的工作流程為:MCU根據(jù)鍵盤的輸入信息，發(fā)起一次溫度測量。MCU首先控制信號繼電器.使LM134輸出1mA的電流，然后，采集鉑電阻的輸出信號電壓，如果達到5V,則.驅(qū)動繼電器切換LM134的反饋電阻，直到鉑電阻輸出電壓低于5V.進而同時采集鉑電阻和標(biāo)準(zhǔn)電阻輸出的電壓信號,并進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驗，該裝置的測量精度可達到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量裝置的設(shè)計原理和實現(xiàn)方法。比例測量方法可以有效消除因恒流源波動造成的隨機誤差。采用分段測量的方法可以將被測溫度范圍進行局部放大,從而提高測量的分辨率和精度。