一種基于PT1000的高精度溫度測量系統(tǒng)設(shè)計

　　精密化學(xué)、生物醫(yī)藥、精細(xì)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。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(diǎn)：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(diǎn)。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；李波等提出采用以負(fù)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(shí)施效果不佳，測溫分辨率能達(dá)到0．01℃，測溫準(zhǔn)確度只達(dá)到O．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(jī)系統(tǒng)校正控制方案實(shí)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(jī)中采用MLS數(shù)值算法實(shí)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。以鉑電阻作為測溫元件進(jìn)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(Ro=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。其溫度電阻特性是：

　　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l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(diǎn)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(jī)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(jìn)一步克服噪聲和隨機(jī)誤差對測量精度和穩(wěn)定度的影響，最后在上位機(jī)中采用MLS數(shù)值算法實(shí)現(xiàn)噪聲抵消，大大提高了溫度測量精度和穩(wěn)定度。