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技術(shù)文章

基于PT1000的高精度溫度測量系統
      精密化學(xué)、生物醫藥、精細化工、精密儀器等領(lǐng)域對溫度控制精度的要求極高，而溫度控制的核心正是溫度量測。采用鉑電阻量測溫度是一種有效的高精度溫度量測方法，但具有以下難點(diǎn)：引線(xiàn)電阻、自熱效應、元器件漂移和鉑電阻傳感器精度。其中，減小引線(xiàn)電阻的影響是高精度量測的關(guān)鍵點(diǎn)。對于自熱效應，根據元件發(fā)熱公式P=I2R，必須使流過(guò)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(guò)小的電流又會(huì )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(mǎn)足元器件漂移和鉑電阻傳感器精度的要求。

　　1 高精度量測方案及原理 
　　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)行溫度量測的關(guān)鍵是要能準確地量測出鉑電阻傳感器的電阻值。按照IEC751國際標準，現在常用的PT1000(Ro=1 000 Ω)是以溫度系數TCR=0．003 851為標準統一設計的鉑電阻。其溫度電阻特性是：

　　本溫度量測系統采用三線(xiàn)制恒流源驅動(dòng)法驅動(dòng)鉑電阻傳感器。三線(xiàn)制恒流源驅動(dòng)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)，直接量測傳感器的電阻變化量。圖l為三線(xiàn)制恒流源驅動(dòng)法高精度量測方案，參考電阻與傳感器串聯(lián)連接，用恒流源驅動(dòng)，電路各元件將產(chǎn)生相應的電壓，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轉換器直接量測，并采用2次電壓量測— 交換 驅動(dòng)電流方向，在每個(gè)電流方向上各量測一次。其特點(diǎn)是直接量測傳感器的電阻變化量，A／D轉換器利用效率高，電路輸出電壓同電阻變化量成線(xiàn)性關(guān)系。傳感器采用三線(xiàn)制接法能有效地消除導線(xiàn)電阻和自熱效應的影響。利用單片機系統控制兩次量測電壓可以避免接線(xiàn)勢壘電壓及放大器、A／D轉換器的失調與漂移產(chǎn)生的系統誤差，還可以校準鉑電阻傳感器精度。恒流源與A／D轉換器共用參考基準，這樣根據A／D轉換器的計量比率變換原理，可以消除參考基準不穩定產(chǎn)生的誤差，不過(guò)對恒流源要求較高，電路結構較為復雜。為了進(jìn)一步克服噪聲和隨機誤差對量測精度和穩定度的影響，*后在上位機中采用MLS數值算法實(shí)現噪聲抵消，大大提高了溫度量測精度和穩定度。
　　
　　2 系統電路設計 
　　2．1 三線(xiàn)制恒流源驅動(dòng)電路 
　　恒流源驅動(dòng)電路負責驅動(dòng)溫度傳感器Pt1000，將其感知的隨溫度變化的電阻信號轉換成可量測的電壓信號。本系統中，所需恒流源要具有輸出電流恒定，溫度穩定性好，輸出電阻很大，輸出電流小于0．5 mA(Pt1000無(wú)自熱效應的上限)，負載一端接地，輸出電流極性可改變等特點(diǎn)。
　　由于溫度對集成運放參數影響不如對晶體管或場(chǎng)效應管參數影響顯著(zhù)，由集成運放構成的恒流源具有穩定性更好、恒流性能更高的優(yōu)點(diǎn)。尤其在負載一端需要接地的場(chǎng)合，獲得了廣泛應用。所以采用圖2所示的雙運放恒流源。其中放大器UA1構成加法器，UA2構成跟隨器，UA1、UA2均選用低噪聲、低失調、高開(kāi)環(huán)增益雙極性運算放大器OP07。

　　設圖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，當取電阻R1=R2，R3=R4時(shí)，則Va=VREFx+Vb，故恒流源的輸出電流就為：

　　由此可見(jiàn)該雙運放恒流源具有以下顯著(zhù)特點(diǎn)：
　　1)負載可接地；2)當運放為雙電源供電時(shí)，輸出電流為雙極性；3)恒定電流大小通過(guò)改變輸入參考基準VREF或調整參考電阻Rref0的大小來(lái)實(shí)現，很容易得到穩定的小電流和補償校準。
　　由于電阻的失配，參考電阻Rref0的兩端電壓將會(huì )受到其驅動(dòng)負載的端電壓Vb的影響。同時(shí)由于是恒流源，Vb肯定會(huì )隨負載的變化而變化，從而就會(huì )影響恒流源的穩定性。顯然這對高精度的恒流源是不能接受的。所以R1，R2，R3，R4這4個(gè)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(shí)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(gè)電阻。

　　2．2 信號調理電路 
　　信號調理電路如圖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(guò)對大量普通標稱(chēng)電阻進(jìn)行篩選，從中選取阻值*接近的。

　 　2．3 A／D轉換電路 
　　A／D轉換電 路由 一個(gè)集成A／D轉換器AD7712完成，同時(shí)將利用其內部的PGA完成儀表放大器的差分放大功能。AD7712是適合低頻量測的高精度A／D轉換器。片內含有2個(gè)輸入通道AIN1和AIN2，能將模擬信號轉換成串行數據輸出。利用AD7712實(shí)現數據轉換采集的原理電路如圖4所示，實(shí)際工作時(shí)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。

　　量測結果的誤差主要來(lái)源于參考電阻Rref、Rref0的誤差，以及差分放大倍數k和A／D轉換器轉換輸出的誤差。為了達到要求的量測精度，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％的初始精度，小于5 ppm的溫度穩定性。AD7712的非線(xiàn)性誤差小于O．001 5％，增益溫度穩定性小于2 ppm，并且還可以通過(guò)單片機對AD7712進(jìn)行校準來(lái)減小其非線(xiàn)性誤差以及增益誤差。
　　3 定標與實(shí)測結果 
　　3．1 量測系統定標 
　　首先用高精度電阻箱(誤差5 ppm)代替Pt1000對量測系統進(jìn)行定標。根據式2所示的實(shí)測Pt1000電阻／溫度關(guān)系標定數據，通過(guò)改變電阻箱的取值來(lái)設定相對應的 測試 溫度點(diǎn)標稱(chēng)值，經(jīng)過(guò)量測系統、A／D采樣和上位機程序計算，得到量測溫度顯示值。根據初測數據對量測電路、補償電壓進(jìn)行校準后，得到量測系統定標數據如表1所示。

　　從表l量測數據可見(jiàn)，量測系統引入的*大誤差為0．003℃。因此只要Pt1000鉑電阻的定標誤差足夠小，精度高，整個(gè)溫度量測系統就可以滿(mǎn)足高精度的量測要求。
　　3．2 恒溫箱實(shí)測 
　　將鉑電阻傳感器Pt1000接入量測系統，并置入高精度恒溫箱中(溫控精度0．01℃)進(jìn)行整個(gè)溫度量測系統定標量測。量測時(shí)要注意恒溫箱的密封，以提高環(huán)境溫度穩定性；恒溫箱溫度穩定后，每隔3 min對同一溫度點(diǎn)進(jìn)行20次量測。量測溫度值數據及處理結果如表2所示。由于設備條件所限，量測溫度范圍只有(10～70℃)。

　　表2中，隨機誤差是根據同一溫度點(diǎn)的20次量測數據計算出的標準偏差(σ=SQR[(xi-X)2／(n-1)])；系統誤差是恒溫箱設定溫度與本溫度量測系統量測溫度平均值的差值。由表2中數據可見(jiàn)，量測系統的*大隨機誤差為0．005℃，且在接近室溫時(shí)*??；量測系統的*大系統誤差為-0．009℃，說(shuō)明Pt1000鉑電阻傳感器的定標誤差較小，精度也較高，能滿(mǎn)足高精度溫度量測系統的量測要求，但溫度**誤差較大，可能與恒溫箱溫度控制精度有關(guān)，有待于進(jìn)一步定標。
　　4 結論 
　　利用三線(xiàn)制恒流源驅動(dòng)Pt1000鉑電阻，有效克服了導線(xiàn)電阻和自熱效應對量測精度的影響；利用單片機計算雙極性驅動(dòng)電流下的兩次量測電壓可有效避免接線(xiàn)勢壘電壓及放大器、A／D轉換器的失調與漂移產(chǎn)生的系統誤差；恒流源與A／D轉換器共用參考基準，有效消除了參考基準不穩定產(chǎn)生的誤差。在上位機中采用MLS數值算法抵消噪聲，進(jìn)一步克服了噪聲和隨機誤差對量測精度和穩定度的影響，大大提高了溫度量測精度和穩定度，使得整機*大的量測誤差不大于0．01℃。

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