pt1000是鉑熱電阻,它的阻值會隨著溫度的變化而改變.PT后的1000即表示它在0℃時阻值為1000歐姆,在300℃時它的阻值約為2120.515歐姆.它的工業(yè)原理:當(dāng)PT1000在0攝氏度的時候他的阻值為1000歐姆,它的的阻值會隨著溫度上升它的阻值是成勻速增漲的.

　　易先軍等提出了以鉑電阻為測溫元件的高溫度測量方案,解決了高測量對硬件電路的一些苛刻要求問題,但是不佳(±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問題,但是系統(tǒng)功耗大,仍然不佳,但是性價比不高,實施效果不佳,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),利用單片機系統(tǒng)校正控制方案實現(xiàn)元器件漂移和鉑電阻傳感器校準(zhǔn),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和穩(wěn)定度.

　　1 高測量方案及原理

　　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.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.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誤差對測量和穩(wěn)定度的影響,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和穩(wěn)定度.

　　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(fù)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(fù)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(fù)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:

　　1)負(fù)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(fù)載的端電壓Vb的影響.同時由于是恒流源,Vb肯定會隨負(fù)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(jìn)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(jìn)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(jìn)行篩選,從中選取阻值接近的.

　　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(jìn)行配置.選用差分輸入通道AIN1,輸入信號極性為雙極性.

　　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(dá)到要求的測量,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O.05%的初始,小于5 ppm的溫度穩(wěn)定性.AD7712的非線性誤差小于O.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(jìn)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)

　　首先用高電阻箱(誤差5 ppm)代替Pt1000對測量系統(tǒng)進(jìn)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(jìn)行校準(zhǔn)后,得到測量系統(tǒng)定標(biāo)數(shù)據(jù)如表1所示.

　　從表l測量數(shù)據(jù)可見,測量系統(tǒng)引入的誤差為0.003℃.因此只要Pt1000鉑電阻的定標(biāo)誤差足夠小,高,整個溫度測量系統(tǒng)就可以滿足高的測量要求.

　　3.2 恒溫箱實測

　　將鉑電阻傳感器Pt1000接入測量系統(tǒng),并置入高恒溫箱中(溫控0.01℃)進(jìn)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(jìn)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(σ=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)的隨機誤差為0.005℃,且在接近室溫時;測量系統(tǒng)的系統(tǒng)誤差為-0.009℃,說明Pt1000鉑電阻傳感器的定標(biāo)誤差較小,也較高,能滿足高溫度測量系統(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有關(guān),有待于進(jìn)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(jìn)一步克服了噪聲和隨機誤差對測量和穩(wěn)定度的影響,大大提高了溫度測量和穩(wěn)定度,使得整機的測量誤差不大于0.01℃.