采用鉑電阻的寬量程高精度溫度測(cè)量裝置

根據(jù)本文研究的方法所設(shè)計(jì)的溫度測(cè)量系統(tǒng)具有體積小、精度高等特點(diǎn)，不但可以用于工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究過程中的高精度溫度測(cè)量，也可作為可傳遞的計(jì)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(duì)溫度測(cè)量精度和分辨率要求的提高，具有高分辨率、高精度的溫度測(cè)量方法的研究、相關(guān)高分辨率、高精度測(cè)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(jì)作為1990 年國(guó)際溫標(biāo)(ITS - 90) 規(guī)定的內(nèi)插測(cè)溫儀器，是-30-300 度溫度段內(nèi)測(cè)溫準(zhǔn)確度最高的測(cè)溫儀器。鉑電阻作為溫度敏感元件，是鉑電阻溫度計(jì)的核心部件。Pt100 作為精密測(cè)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(diǎn)。

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(jìn)一步處理的電壓信號(hào)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(huì)在測(cè)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(jiǎn)單，但是，由于恒流源的穩(wěn)定性問題，會(huì)引入隨機(jī)誤差。本文研究了一種基于恒流源法的，以Pt100 為溫度傳感器的高精度、高分辨率溫度測(cè)量方法。采用比例測(cè)量原理消除恒流源穩(wěn)定性造成的隨機(jī)誤差;采用分段測(cè)量的方法在-30-300℃范圍內(nèi)進(jìn)行高精度測(cè)量。

1 測(cè)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(cè)量誤差的主要來源。采用比例測(cè)量的方法來消除恒流源電流強(qiáng)度的波動(dòng)。其原理如圖1 所示：

將Pt100 與高精度標(biāo)準(zhǔn)電阻串聯(lián)。設(shè)某一時(shí)刻，恒流源輸出的電流強(qiáng)度為Ia,那么，在Pt100 上形成的電壓降Up=Ia*Rp,在標(biāo)準(zhǔn)電阻上形成的電壓降Us=Ia*Rs,同時(shí)采集鉑電阻和標(biāo)準(zhǔn)電阻的電壓降，并將電壓降比值進(jìn)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(jī)誤差。

設(shè)采集溫度電壓信號(hào)的AD 轉(zhuǎn)換器位數(shù)為，如果將-30-300℃的溫度范圍作為一個(gè)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(shí)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(cè)量的方法，將被測(cè)溫度范圍分成三段：-30-80℃、80-190℃、190-300℃三個(gè)溫度段。在智能微處理器的控制下，恒流源針對(duì)三個(gè)不同的溫度段，輸出不同強(qiáng)度的測(cè)試電流。使Pt100 在每個(gè)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(cè)量方法，可以有效提高溫度測(cè)量的分辨率，為高精度溫度測(cè)量做好技術(shù)準(zhǔn)備。

2 測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)比例測(cè)量和分段測(cè)量的原理，設(shè)計(jì)了高分辨率、高精度的鉑電阻溫度測(cè)量裝置，其結(jié)構(gòu)及主要元器件型號(hào)如圖2 所示。

鉑電阻為四線制A 級(jí)Pt100.以LM134 作為恒流源的核心器件，分別設(shè)置三個(gè)不同阻值的反饋電阻使其能夠輸出0.5mA,0.7mA,1mA 三種恒流。電阻的切換由信號(hào)繼電器完成。信號(hào)繼電器由MCU 通過繼電器驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行控制。-30-80℃范圍采用1mA的測(cè)試電流、80-190℃范圍采用0.7mA 測(cè)試電流、190-300℃范圍采用0.5mA 的測(cè)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(hào)放大電路的核心器件。對(duì)鉑電阻的電壓降放大100 倍，對(duì)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(cè)試電流時(shí)，鉑電阻兩端的電壓降范圍為88.22-130.9mV, 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(duì)INA114的輸出電壓進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。ADS1247 的輸入范圍是0-5V,那么，在理論上，在-30-80℃范圍內(nèi)的溫度分辨率可達(dá)到 ℃。但是，由于ADS1247 的穩(wěn)定性和誤差問題，實(shí)際的分辨率會(huì)低于理論分辨率。測(cè)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(cè)量。MCU 首先控制信號(hào)繼電器，使LM134 輸出1mA 的電流，然后，采集鉑電阻的輸出信號(hào)電壓，如果達(dá)到5V,則驅(qū)動(dòng)繼電器切換LM134 的反饋電阻，直到鉑電阻輸出電壓低于5V.進(jìn)而同時(shí)采集鉑電阻和標(biāo)準(zhǔn)電阻輸出的電壓信號(hào)，并進(jìn)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(shí)驗(yàn)，該裝置的測(cè)量精度可達(dá)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高精度溫度測(cè)量裝置的設(shè)計(jì)原理和實(shí)現(xiàn)方法。比例測(cè)量方法可以有效消除因恒流源波動(dòng)造成的隨機(jī)誤差。采用分段測(cè)量的方法可以將被測(cè)溫度范圍進(jìn)行局部放大，從而提高測(cè)量的分辨率和精度。