铂电阻温度传感器实现线性测温方案的研究

2011-07-26郝桂青李健飞

自动化仪表 2011年11期

郝桂青李健飞

(中海油田服务股份有限公司，北京 101149)

0 引言

铂热电阻已被公认是温度敏感元件中准确度和重复性好的传感器。它具有测温范围大、稳定性好、示值复现性高和耐氧化等特点，常被用作国际标准温度计，并应用于各种测温场合。在智能温度检测中，温度测量电路的典型用法是前端采用不平衡电桥测量铂电阻随温度变化的毫伏信号输出，再经过放大和A/D转换，传送到单片机中进行运算和处理。但在这种检测电路中，由于不平衡电桥的非线性特性以及铂电阻的阻值和温度之间的非线性特性(在高温端尤其严重)，给最后的温度测量带来了很大的误差。本方案采用恒流源替代不平衡电桥，对传统的电路进行校正补偿，有效地解决了铂电阻和不平衡电桥的非线性误差问题，提高了测温精度。

1 铂电阻Pt100的电阻特性

按照国际电工委员会的铂热电阻技术标准，铂电阻Pt100在0～650℃范围内温度-电阻关系可采用函数 R(t)表示［1］，即:R(t)=R0(1+At+Bt2)，其中 Rt、R0分别为t℃和0℃时的铂电阻阻值，A=3.90802 ×10－3/℃，B= －5.80195 ×10–7/℃2，Pt100 的非线性特性曲线如图1所示。R(t)函数是一开口向下的抛物线［2］。其中曲线①为Pt100特性曲线，曲线②为线性化的理想直线。

图1 Pt100的非线性特性曲线Fig.1 Nonlinear characteristic curve of Pt100

由图1可以看出，在0～650℃测温范围内存在非线性项Bt2，且为负值，因而电阻的变化率随着温度的升高而下降。经理论计算，Pt100在0～500℃区间的非线性误差为1.29094%;在0～100℃的非线性误差为0.1%;特别是在250℃时铂电阻的非线性误差最大，达4%左右。所以在靠标定点的0～100℃小范围测温时，可以按线性处理。在测量范围大时，铂电阻的非线性越来越严重，已不能适应高精度测量的要求。因此，必须对其作线性化处理。

2 线性测温方案的研究

2.1 常规的测温方法

由Pt100构成信号的获取电路常用的方法有两种，一种是十分常见的单臂桥电路，另一种是运用恒流源电路，电路结构如图2所示［3］。

图2 电路结构Fig.2 Structure of circuits

单臂桥有结构简单、动态特性良好等特点，在温度检测中得到了极为广泛的应用，但当Rt=R0=R时，ΔU=0，当被测温度改变时，桥臂温度铂电阻Rt相应变为:

则经推导可得电桥的输出电压为:

式中:ΔU为电桥输出电压;R为桥臂电阻;ΔRt为温度变化时Pt100的电阻变化值。

式(2)中存在着桥臂电阻Rt和电桥输出电压ΔU之间的非线性问题。由以上公式可知，产生不平衡电桥非线性的根本原因是当Rt发生变化时，Rt侧桥臂上的电流I2也发生了相应的变化。从而可以推算出，当ΔRt/R=10%时，输出电压非线性误差可达6%，显然也不能适应高精度的测量要求。

恒流源电流通过温度传感器时，温度传感器两端的电压即反映温度的变化。如果该侧电流由恒流源提供，那么不平衡电桥非线性问题就能得到解决;且由于恒流源的作用，使得电压输出与电阻呈良好的线性关系，因此，恒流源式可以解决温度测量中铂电阻非线性的问题。

2.2 线性化测温方案的实现

2.2.1 恒流源式温度采集电路的设计

高准确度恒流源无疑是决定测温准确度的关键因素，尽可能少的分立元件，无疑会减少分布参数的影响。因为电流过小，将降低信噪比;而电流过大，铂电阻的自热效应会影响测试准确度，所以，在此选用精密电压源和精密电阻器来得到1 mA精密电流源［4］，恒流源式温度信号采集电路如图3所示［5］。

图3 恒流源式温度采集电路Fig.3 Temperature acquisition circuit based on constant current source

图3中，精密电压源为低功率、低漂移、精密电压基准 LM136-2.5，外加调整电路，Vref电压可调整为2.5 V参考电源。由于运放虚地的结果，造成仪表放大器AD627的反相输入端为0 V［6］，且运放的输入阻抗极高，输入端可以认为不吸入电流，因此，从1.5 kΩ电阻上流过的电流大小固定且等于AD627输出端流入Pt100铂热电阻温度传感器的电流，从而达到恒流的效果。连接Pt100两端的压差正好反映温度变化的信号送入后级的仪表放大器AD627进行放大处理。

R1、U1、U2的精度及温度稳定性直接影响恒流的效果。因此，为达到良好的恒流效果，选用0.01%的温漂小的电阻和稳定性高的参考电源;输入阻抗选择高输入阻抗AD627，从而提高电路的稳定性和精度。

2.2.2 线性化测温的实现方法

温度测量系统是将来自现场传感器的信号经过采集放大后，送到微处理器的A/D通道进行A/D转化处理并显示在液晶显示器上。线性测温仪原理框图如图4所示。

图4 线性测温仪原理结构框图Fig.4 Structure of the linear temperature measurement instrument

测温系统主要包括构成智能测量系统核心的微处理器CPU［7］、检测温度的Pt100温度传感器、信号的采集放大电路(恒流源电路、偏置放大电路)、输出显示单元、温度控制执行机构和电源供电电路。其中，CPU可采用ADI公司生产的ADUC831微处理器［8］。该芯片具有丰富的 I/O端口;片内有2 kB RAM、62 kB Flash、4 kB EEPROM;SCI、SPI、PWM 和串行接口模块;8路12位A/D模块可用于温度信号等的检测，大大简化了外围电路和软件设计。

采集放大的温度信号经ADUC831的12位A/D转化运算后，发送到LCD显示器上加以显示［9］。此外，微处理器的输出还可以按照实际要求外接一些温度控制执行元件。这些元件根据温度的变化实现一部分控制，此控制信号由CPU根据软件程序经微处理器的PB口输出执行。

采用以上方案设计的测温系统进行温度测量，需要对该测温电路进行标定。测温系统测温范围设计为t=0～350℃，则对应的铂电阻 Pt100阻值 Rt=100 ～231 Ω，ΔR=0 ～131.73 Ω，标定时可调节放大电路图3中的 p02。检测 AD627的输出电压，使输入ADUC831的A/D端的输入电压为0～5 V。由于采用的ADUC831中的A/D为12位的，则A/D变换器分辩率为1/4096。一个量化单位代表测量电压值5000/4096 mV≈1.22 mV，一个量化单位的测量电压值折合成一个量化单位的温度值为350/4096=0.085℃。由此可以看出，非线性校正误差的大小主要取决于量化单位的大小，所以在本方案中，在测温范围t=0～350℃内，测温精度可以达到±0.045 K，达到了高精度的测量要求。

采用该方案进行温度测量，得到的温度试验数据如表1所示。