基于鉑電阻的寬量程高精度溫度測量裝置

0 引言

-30-300℃是科學研究和工業(yè)生產(chǎn)最常用的溫度范圍，隨著科學研究和工業(yè)生產(chǎn)對溫度測量精度和分辨率要求的提高，具有高分辨率、高精度的溫度測量方法的研究、相關(guān)高分辨率、高精度測溫儀器的研發(fā)已收到廣泛的關(guān)注。標準鉑電阻溫度計作為1990 年國際溫標(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 為溫度傳感器的高精度、高分辨率溫度測量方法。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)進行高精度測量。

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 與高精度標準電阻串聯(lián)。設某一時刻，恒流源輸出的電流強度為Ia,那么，在Pt100 上形成的電壓降Up=Ia*Rp,在標準電阻上形成的電壓降Us=Ia*Rs,同時采集鉑電阻和標準電阻的電壓降，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。

設采集溫度電壓信號的AD 轉(zhuǎn)換器位數(shù)為，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，為高精度溫度測量做好技術(shù)準備。

2 測溫系統(tǒng)設計

根據(jù)比例測量和分段測量的原理，設計了高分辨率、高精度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，分別設置三個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。-30-80℃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。標準電阻是精度為0.01% 的線繞電阻，其溫度穩(wěn)定性為5ppm/℃。采用INA114 作為鉑電阻和標準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，對標準電阻的電壓降放大40 倍。以-30-80℃為例，當采用1mA 測試電流時，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-30-80℃范圍內(nèi)的溫度分辨率可達到 ℃。但是，由于ADS1247 的穩(wěn)定性和誤差問題，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準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高精度溫度測量裝置的設計原理和實現(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。