基于Pt100 鉑電阻的液氮灌溫度記錄儀設計

劉建生，楊 超

（西南石油大學電氣信息學院，成都 610500）

0 引言

在生物實驗中，很多實驗條件及材料的處理和保存都需要極端的低溫環境，液氮罐是常用來提供低溫的設備之一。液氮罐是利用液氮的物理特性制作而成，常壓下，液氮溫度低至-196 ℃［1］。但液氮具有自然揮發的性質，若溫度偏高，即使蓋著，液氮也會揮發。為了防止液氮汽化，需要保持罐內溫度低于-196 ℃，因此在實際應用中，常需實時檢測罐內溫度［2］。由于鉑電阻具有測量精度高、耐氧化、靈敏度高等優點［3］，且在-200～＋850 ℃溫度范圍性能穩定，因此鉑電阻式傳感器常用于此類極低溫檢測場合。

鉑電阻式傳感器系統的精度、穩定性不僅與鉑電阻本身有關，還與構成整個測試電路的相關器件或裝置有關，如驅動電源、A／D 轉換電路等。驅動源主要有兩種，一種是惠斯通電橋電路［4-5］，其電路雖消除了導線誤差，但增加了電路功耗；另一種是恒流源驅動［6］。文獻［3］中的恒流源驅動采用了兩只8550 三極管構成鏡像電流源，但這種電路的局限是對兩只三極管的匹配程度要求較高。集成運放參數性能穩定，受環境溫度影響較小，采用集成運放構成的恒流源驅動具有更高穩定性和電流精度［7］。同時，為了保證測試系統的精度，配套A／D轉換電路還需與整個測試電路匹配。

本文以四線制Pt100 鉑電阻為敏感元件，構建雙運放驅動電源電路和信號調理電路等硬件電路，同時進行系統軟件設計，并通過實驗驗證所設計記錄儀的精度和穩定性。

1 系統工作原理

為了消除傳感器長的引線給電阻帶來的誤差，同時降低引線上的自熱效應，減少被測溫度以外的環境溫度影響，系統采用四線制測溫電路來測量液氮罐的溫度。系統由恒流源驅動電路、Pt100 溫度傳感器、信號調理電路、A／D 轉換電路、STM32 控制器、SD 卡信息存儲單元、OLED信息顯示單元和按鍵單元等構成，系統框圖見圖1。

圖1 系統框圖

恒流源電路驅動Pt100 溫度傳感器，進行溫度信號采集；再通過信號變化電路中的放大電路和A／D轉換電路實現信號的放大、采樣與轉換；最后信號到達STM32 控制器，進一步處理與運算。OLED 顯示屏實時顯示被測溫度信息；同時，系統還可根據設定的時間間隔，將溫度數據存儲于SD卡的CSV表格中。

2 系統硬件電路設計

2.1 恒流源驅動電路設計

Pt100 溫度傳感器采用恒流源作為外部驅動源，從而實現溫度所對應的電阻值到電壓信號的轉換。恒流源驅動電路（見圖2）由精密帶隙基準電壓源U2 和運放U1（包括U1A 和U1B）構成，其中U1A 與電阻R3、R4構成同相運算放大電路；U1B構成電壓跟隨器，R1＝R2＝R3＝R4。

圖2 恒流源驅動電路圖

為了分析流過Pt100 鉑電阻的電流關系式，下面先分析各節點電壓。

節點1 電壓：

運算放大器U1A工作在同相比例放大狀態時，節點3 電壓：

運算放大器U1B工作在電壓跟隨器狀態時，節點5 電壓：

再根據運算虛斷的特性，可知：

由式（1）～（6）可得流過Pt100 鉑電阻的電流：

由式（7）知，恒流源驅動電路的輸出電流僅由參考基準電壓UREF和電阻RREF確定，易實現高精度電流輸出。

四線Pt100 的激勵電流范圍為0.3～2.0 mA［8］。由于過大的電流會損壞溫度探頭，因此，選用基準電壓源輸出電壓UREF＝2.5 V，參考電阻RREF＝2.49 kΩ，恒流源輸出電流為1 mA。

同時，為了提高恒流源輸出電流的精度和穩定性，U1選用輸入阻抗高、偏置電流和失調電壓低、低溫漂、高開環增益的雙運算放大器（芯片型號ADA4051-2）；U2 選用低噪聲、低溫漂（Max 2 ×10-6／°C）、高準度（Max±0.025%）的電壓基準源LTC6655-2.5；R1＝R2＝R3＝R4＝10 kΩ 選用高精度、高匹配率的LT5400BIMS8E-1＃PBF 集成電阻，電阻匹配率高達0.025%；RREF選用低溫漂0.1%的電阻器。

A／D轉換電路與恒流源驅動電路共用參考基準源，系統在提高基準電壓源精度的同時也有效解決了因電源波動引起的基準參考電壓的誤差。

2.2 信號變換電路設計

2.2.1 放大電路設計

記錄儀設計溫度檢測范圍-200～0 ℃，根據《JB／T 8622—1997 工業鉑熱電阻技術條件及分度表》中的Pt100 分度表可知，-200～0 ℃的鉑電阻阻值的變化范圍為18.52～100.00 Ω，對應的Pt100 的電壓輸出范圍為18.52～100.00 mV。

為了提高測量精度，根據A／D的轉換范圍0～2.5 V，需對Pt100 兩端的輸出電壓進行適當的放大。相比采用LM324 運算放大器構成的三運放儀表放大電路［9］，設計選用三運放集成儀表放大器LT6370，該放大器具有更高共模抑制比、更低的噪聲和低的溫飄、增益設置更靈活等特點。電路圖見圖3，其放大倍數計算公式［10］：

圖3 儀表放大電路

選RG＝1.21 kΩ，則G＝21。放大器U5 的電壓輸出范圍為0.389～2.1 V。

2.2.2 A／D轉換電路

溫度記錄儀設計精度目標為0.1 ℃，鉑電阻在-200～0 ℃范圍測溫度時，電阻-溫度滿足：）

式中：A＝3.908 3 × 10-3℃-1；B＝ -5.775 ×10-7℃-2；C＝-4.183 ×10-12℃-4。

對式（9）求導，可以推出：

由于A、B、C數量級相差較大，式（10）可以簡化為

當Δt＝0.1 ℃時，ΔRt≈39.1 mΩ，則每變化0.1 ℃，Pt100 兩端輸出電壓變化為：ΔUPt100＝39.1 μV。

由以上分析可知，要使系統測量精度達到0.1 ℃，ADC選擇的有效位數不能少于16 位。因此，選擇24位的AD7172-2，其在15.625 KSPS時無噪聲位為20.4位，有效分辨率為7 μV［11］，滿足設計需求，電路轉換圖見圖4。

圖4 AD7172單端輸入電路圖

2.3 STM32 控制系統設計

系統控制器采用基于ARM Cortex-M3 內核的STM32F103VET6 芯片，相對一般的單片機處理有能力強、運算速度快、片內資源豐富等優點。其主頻為72 MHz，集成了SPI、USART、SDIO（Secure Digital Input and Output card）等通信接口。可利用SDIO接口對SD卡進行讀寫［12-14］。

考慮到系統的精簡化，采用容量為2 GB 的Micro SD卡，電路連接見圖5。為了方便對數據的存儲和管理并支持CSV 格式的表格，在主控系統中移植了串行Flash文件系統FatFs。FatFs 是建立在存儲介質上具有系統引導區、目錄和文件的一種組織結構，是一個為小型嵌入式系統設計的通用FAT（File Allocation Table）文件系統模塊［15-16］。

圖5 數據存儲電路圖

3 系統軟件設計

系統程序開發采用調用函數庫的方式，整體流程圖如圖6 所示，包括STM32 模塊的初始化（如DMA、USB、SDIO等）以及文件系統的移植等。A／D 轉換結果通過SPI通信方式傳給控制器，控制器采用中值濾波算法對數據進行處理，將數據結果寫入到SD 卡中并利用OLED顯示屏顯示當前溫度值。

圖6 系統軟件工作流程圖

4 記錄儀測試

本次液氮罐的測試溫度范圍為-200～-150 ℃。由JB／T 8622—1997 提供的Pt100 分度表，采用最小二乘法對該段溫度-電阻數據進行擬合，可得到擬合直線表達式：

式中：R表示Pt100 阻值；T表示溫度值。

采用精密多圈電位器模擬Pt100 鉑電阻電阻的變化。利用普源臺式萬用表DM3068，采用四線制電阻測量法對電位器的阻值進行測量標定，測試數據結果見表1。其中，第1～第5 列分別為Pt100 的標準值RP、Pt100 兩端輸出電壓值UP、測量溫度值Tm、根據擬合公式計算的溫度值Tc、絕對誤差Ea與相對誤差Er。根據表1 中的實測數據可知，恒流源輸出電流在0.999～1.001 mA，具有高精度和穩定性。液氮罐的檢測溫度絕對誤差最大值為0.04 ℃，相對值誤差最大僅為0.29‰，滿足實際檢測需求。

表1 測試數據

5 結語

本文針對液氮罐低溫監測需要，從測試系統硬件電路和軟件方面設計了基于Pt100 鉑電阻的溫度記錄儀，并進行了測試驗證。

（1）根據液氮罐測溫系統的實際需求，設計了一種基于雙運放的恒流源驅動電路，并優選了低功耗、低溫漂運算放大器和高精度、低溫漂的基準源。所設計的恒流源驅動電路的穩定性好和電流精度高，其輸出電流范圍為0.999～1.001 mA。

（2）根據液氮罐測溫精度需要，研究了A／D轉換電路的有效分辨率，優選出了24 位高分辨率和轉換精度的AD7172-2，能進一步提高系統的測量精度。

（3）實驗測試結果表明，液氮罐的溫度測量精度可達0.1 ℃，絕對誤差低于0.04 ℃，相對誤差僅為0.29‰，滿足液氮罐溫度監測要求。

本文提出的基于雙運放的恒流驅動電路方法，也可應用于其他類電阻式傳感器的驅動電源電路，從而提高測試系統的測量精度和穩定性。?