鉑電阻溫度傳感器實現線性測溫方案的研究

郝桂青 李健飛

(中海油田服務股份有限公司，北京 101149)

0 引言

鉑熱電阻已被公認是溫度敏感元件中準確度和重復性好的傳感器。它具有測溫范圍大、穩定性好、示值復現性高和耐氧化等特點，常被用作國際標準溫度計，并應用于各種測溫場合。在智能溫度檢測中，溫度測量電路的典型用法是前端采用不平衡電橋測量鉑電阻隨溫度變化的毫伏信號輸出，再經過放大和A/D轉換，傳送到單片機中進行運算和處理。但在這種檢測電路中，由于不平衡電橋的非線性特性以及鉑電阻的阻值和溫度之間的非線性特性(在高溫端尤其嚴重)，給最后的溫度測量帶來了很大的誤差。本方案采用恒流源替代不平衡電橋，對傳統的電路進行校正補償，有效地解決了鉑電阻和不平衡電橋的非線性誤差問題，提高了測溫精度。

1 鉑電阻Pt100的電阻特性

按照國際電工委員會的鉑熱電阻技術標準，鉑電阻Pt100在0～650℃范圍內溫度-電阻關系可采用函數 R(t)表示［1］，即:R(t)=R0(1+At+Bt2)，其中 Rt、R0分別為t℃和0℃時的鉑電阻阻值，A=3.90802 ×10－3/℃，B= －5.80195 ×10–7/℃2，Pt100 的非線性特性曲線如圖1所示。R(t)函數是一開口向下的拋物線［2］。其中曲線①為Pt100特性曲線，曲線②為線性化的理想直線。

圖1 Pt100的非線性特性曲線Fig.1 Nonlinear characteristic curve of Pt100

由圖1可以看出，在0～650℃測溫范圍內存在非線性項Bt2，且為負值，因而電阻的變化率隨著溫度的升高而下降。經理論計算，Pt100在0～500℃區間的非線性誤差為1.29094%;在0～100℃的非線性誤差為0.1%;特別是在250℃時鉑電阻的非線性誤差最大，達4%左右。所以在靠標定點的0～100℃小范圍測溫時，可以按線性處理。在測量范圍大時，鉑電阻的非線性越來越嚴重，已不能適應高精度測量的要求。因此，必須對其作線性化處理。

2 線性測溫方案的研究

2.1 常規的測溫方法

由Pt100構成信號的獲取電路常用的方法有兩種，一種是十分常見的單臂橋電路，另一種是運用恒流源電路，電路結構如圖2所示［3］。

圖2 電路結構Fig.2 Structure of circuits

單臂橋有結構簡單、動態特性良好等特點，在溫度檢測中得到了極為廣泛的應用，但當Rt=R0=R時，ΔU=0，當被測溫度改變時，橋臂溫度鉑電阻Rt相應變為:

則經推導可得電橋的輸出電壓為:

式中:ΔU為電橋輸出電壓;R為橋臂電阻;ΔRt為溫度變化時Pt100的電阻變化值。

式(2)中存在著橋臂電阻Rt和電橋輸出電壓ΔU之間的非線性問題。由以上公式可知，產生不平衡電橋非線性的根本原因是當Rt發生變化時，Rt側橋臂上的電流I2也發生了相應的變化。從而可以推算出，當ΔRt/R=10%時，輸出電壓非線性誤差可達6%，顯然也不能適應高精度的測量要求。

恒流源電流通過溫度傳感器時，溫度傳感器兩端的電壓即反映溫度的變化。如果該側電流由恒流源提供，那么不平衡電橋非線性問題就能得到解決;且由于恒流源的作用，使得電壓輸出與電阻呈良好的線性關系，因此，恒流源式可以解決溫度測量中鉑電阻非線性的問題。

2.2 線性化測溫方案的實現

2.2.1 恒流源式溫度采集電路的設計

高準確度恒流源無疑是決定測溫準確度的關鍵因素，盡可能少的分立元件，無疑會減少分布參數的影響。因為電流過小，將降低信噪比;而電流過大，鉑電阻的自熱效應會影響測試準確度，所以，在此選用精密電壓源和精密電阻器來得到1 mA精密電流源［4］，恒流源式溫度信號采集電路如圖3所示［5］。

圖3 恒流源式溫度采集電路Fig.3 Temperature acquisition circuit based on constant current source

圖3中，精密電壓源為低功率、低漂移、精密電壓基準 LM136-2.5，外加調整電路，Vref電壓可調整為2.5 V參考電源。由于運放虛地的結果，造成儀表放大器AD627的反相輸入端為0 V［6］，且運放的輸入阻抗極高，輸入端可以認為不吸入電流，因此，從1.5 kΩ電阻上流過的電流大小固定且等于AD627輸出端流入Pt100鉑熱電阻溫度傳感器的電流，從而達到恒流的效果。連接Pt100兩端的壓差正好反映溫度變化的信號送入后級的儀表放大器AD627進行放大處理。

R1、U1、U2的精度及溫度穩定性直接影響恒流的效果。因此，為達到良好的恒流效果，選用0.01%的溫漂小的電阻和穩定性高的參考電源;輸入阻抗選擇高輸入阻抗AD627，從而提高電路的穩定性和精度。

2.2.2 線性化測溫的實現方法

溫度測量系統是將來自現場傳感器的信號經過采集放大后，送到微處理器的A/D通道進行A/D轉化處理并顯示在液晶顯示器上。線性測溫儀原理框圖如圖4所示。

圖4 線性測溫儀原理結構框圖Fig.4 Structure of the linear temperature measurement instrument

測溫系統主要包括構成智能測量系統核心的微處理器CPU［7］、檢測溫度的Pt100溫度傳感器、信號的采集放大電路(恒流源電路、偏置放大電路)、輸出顯示單元、溫度控制執行機構和電源供電電路。其中，CPU可采用ADI公司生產的ADUC831微處理器［8］。該芯片具有豐富的 I/O端口;片內有2 kB RAM、62 kB Flash、4 kB EEPROM;SCI、SPI、PWM 和串行接口模塊;8路12位A/D模塊可用于溫度信號等的檢測，大大簡化了外圍電路和軟件設計。

采集放大的溫度信號經ADUC831的12位A/D轉化運算后，發送到LCD顯示器上加以顯示［9］。此外，微處理器的輸出還可以按照實際要求外接一些溫度控制執行元件。這些元件根據溫度的變化實現一部分控制，此控制信號由CPU根據軟件程序經微處理器的PB口輸出執行。

采用以上方案設計的測溫系統進行溫度測量，需要對該測溫電路進行標定。測溫系統測溫范圍設計為t=0～350℃，則對應的鉑電阻 Pt100阻值 Rt=100 ～231 Ω，ΔR=0 ～131.73 Ω，標定時可調節放大電路圖3中的 p02。檢測 AD627的輸出電壓，使輸入ADUC831的A/D端的輸入電壓為0～5 V。由于采用的ADUC831中的A/D為12位的，則A/D變換器分辯率為1/4096。一個量化單位代表測量電壓值5000/4096 mV≈1.22 mV，一個量化單位的測量電壓值折合成一個量化單位的溫度值為350/4096=0.085℃。由此可以看出，非線性校正誤差的大小主要取決于量化單位的大小，所以在本方案中，在測溫范圍t=0～350℃內，測溫精度可以達到±0.045 K，達到了高精度的測量要求。

采用該方案進行溫度測量，得到的溫度試驗數據如表1所示。

表1 溫度測量試驗數據Tab.1 The test data of temperature measurement

從測試結果看，樣機最大誤差為0.06 K。該誤差的主要來源一方面是基準恒流源引起的漂移誤差［10］，另一方面是CPU進行A/D轉換的精度。

3 結束語

該線性化測溫系統較好地解決了鉑電阻測溫電路中不平衡電橋的非線性誤差問題。經過大量的實驗測試，其性能穩定可靠，測溫誤差一直保持在0.1 K之內，所以該測量方案測量的溫度一致性好、精度高、穩定性好，可在智能溫度檢測中廣泛應用。

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