插管式多层地温测量传感器设计

陈 涛， 冶林茂， 陈海波， 韩振宇， 李 鹏， 张振强

(1.中国电子科技集团公司 第二十七研究所，河南 郑州 450047；2.河南省气象科学研究所，河南 郑州 450003)

0 引 言

目前，对于地温的观测，多采用DS18B20温度传感器[1]或者直接地埋多只Pt电阻器[2]，实现不同土层土壤温度的测量，通过比较，DS18B20测温精度低于Pt电阻器，而且存在比较大的温度延时，而直接地埋多只Pt电阻器的方法存在一个缺点，它的直接填埋法，使后期的维护维修极为不便，必须进行开挖才能进行维修。本文介绍一种插管式地温测量方法，该方法采用四线制Pt电阻器[3]，与目前的测量方法具有相同的精度，但其最大的特点在于维护简便，便于后期标定。

1 测温原理和测温电路

通过研究发现， Pt的阻值随温度的变化而变化，并具有很好的重现性和稳定性，利用Pt的此种物理特性可制成Pt热敏电阻器，通常使用的Pt电阻器零度阻值为100 Ω，电阻变化率为1.3851Ω/ ℃。这种传感器精度高，稳定性好，应用温度范围广，不仅广泛应用于工业测温，而且被制成各种标准温度计供计量和校准使用[4]。

Pt电阻器测温，从接线方式上分为二线制、三线制和四线制，二线制和三线制具有引线误差，且无法消除[2]，从提高精度考虑，本文采用四线制[3]Pt100，利用AD7793内部恒流源结合一个高精度电阻器，实现电压比值等于电阻比值，从而计算出当前Pt电阻器的阻值，具体电路如图1。

图1 温度测量电路

图1中，AD7793内部恒流源通过IOUT1引脚输出210 μA电流，电流流经Pt100和5.9 kΩ精密电阻器，而5.9 kΩ电阻器一端接地，一端接AD的参考端REFIN+，Pt100两端分别接AD的AIN1+和AIN1-，设5.9 kΩ电阻器两段电压VR，电阻值为R，Pt电阻器两段电压VP，Pt电阻器当前电阻值为RP，由欧姆定律可推出公式(1)成立

(1)

公式变形，推出公式(2)

(2)

式中VR为AD的参考电压，VP为AD通道1测量的电压值，因此,只须通过以上电路测量出AD通道1的电压值。AD7793为24位AD，根据计算和实验结果证明:该器件完全满足测量需要。

2 系统设计和算法

2.1 插管式结构设计

对比之前通用的填埋方式，本文采用插管式结构。该方式采用一个下端密闭管套，紧密地插入在土壤中预先做好的孔洞中。传感器芯材外径与管套内径相同，可以插入管套中。传感器芯材为2片装，通过卡槽可以组装成一根圆柱型芯材。在一片芯材上等间距开孔，放入Pt电阻器，孔的外部包裹导热金属片，Pt电阻器与金属片紧密接触，Pt电阻器引线通过芯材中心开槽引出至传感器顶端。另一片芯材通过卡槽与前一片拼接，并压住引线。至此，组装成一根圆柱型芯材，引线从顶部取出，测量时插入预置好的管套中，维修时把传感器拔出，打开拼接的芯材，即可维修相应的Pt电阻器。

2.2 多路切换测量系统设计

图1中显示的电路为单个Pt电阻器测量的电路，如果需要测量多只Pt电阻器就需要设计多路切换电路。在这里使用4051单路8选1模拟电子开关和4052双路4选1模拟电子开关，两者配合使用，实现多路切换电路。电路图如图2。

测量Pt电阻器1时，D2(4051)选中Y0通道，从D2的COM输出，形成恒流源从AD7793的IOUT1经Pt电阻器1，通过D2的COM口输出，经精密电阻器后接地，形成回路，而D1(4052)选中1Y0和2Y0经D1的COM1和COM2分别接入AD7793的AIN1+和AIN1-，实现Pt电阻器1两端电压的测量。

图2 多路切换电路

测量Pt电阻器2时，D2(4051)选中Y1通道，从D2的COM输出，形成恒流源从AD7793的IOUT1经Pt电阻器2，通过D2的COM口输出，经精密电阻器后接地，形成回路，而D1(4052)选中1Y1和2Y1经D1的COM1和COM2接入AD7793的AIN1+和AIN1-，实现Pt电阻器2两端电压的测量。

根据需要，可以增加4051和4052的个数来实现更多Pt电阻器的测量，在这里就不再详细描述。

2.3 牛顿迭代法计算温度值

利用Pt电阻器的阻值随温度变化而变化的特性，通过Pt电阻器阻值计算当前温度，按照IEC 751国际标准，Pt100(R0=100Ω)的电阻温度系数(TCR)为0.003 851/℃。Pt电阻器的温度—电阻曲线如图3。

图3 Pt电阻器温度—电阻曲线

温度—电阻特性对应的计算方法如下[5]

-200

Rt=R0[1+At+Bt2+C(t-100)t3].

(3)

0

Rt=R0(1+At+Bt2).

(4)

其中,Rt表示Pt电阻器在t℃时的电阻值；R0表示Pt电阻器在0 ℃时的电阻值，采用Pt100，所以，R0=100 Ω，当TCR=0.003 851/℃时，公式中A=3.908 3×10-3，B=-5.775×10-7，C=-4.183×10-12。

通过测量原理可以计算出Pt电阻器的当前电阻值Rt，通过上面的公式要得出当前温度t，则需要分别求出公式(3)一元四次方程的解和公式(4)一元二次方程的解，在这里采用牛顿迭代法[6]求解这2个方程的解，就可以得到当前的温度值。具体求解过程转化为程序语言如下：

float RTOW(floatRt)

{

doubleA=3.908 3×10-3，B=-5.775×10-7，

C=-4.183×10-12，T，T0；

u8i;

T0=(Rt/ 100-1) /A;

if(Rt>=18.52 &&Rt< 100) ∥-200 ℃～0 ℃

{

for(i=0 ;i< 50 ;i++)

{

if(fabs(T-T0) < 0.001)

{break ;}

else

{T0=T;}

}

}

else if(Rt>=100 &&Rt<=175.86) ∥0～200 ℃

{

for(i=0 ;i<50 ;i++)

{

(100(A+2BT0)) ;

if(fabs(T-T0) < 0.001)

{break ;}

else

{T0=T;}

}

}

else

{T=-1 000;}

returnT;

}

采用该程序通过电阻值计算温度值与查表法对比，如表1。

通过对比表明:程序计算的温度值与查表法得到的温度值最大误差在0.015 ℃以内，完全满足实际需要。

3 测试结果与分析

使用本文中的设计方案，研制出来的传感器，其Pt电阻器测温结果与实验室对比结果见表2，通过对比表明，设备测量的温度值和标准值之间最大误差在0.2 ℃以内，完全满足目前气象部门对地温测量的实际需要。

表1 程序计算温度与查表法温度对比

表2 测量值与标准值对比

4 结 论

通过测试表明:采用四线制Pt电阻器、多路切换测量电路及牛顿迭代法计算温度值的插管式多层地温测量传感器，其实际测量温度值与实验室标准值误差在0.2 ℃以内，能够完全满足当前对地温测量的业务要求(误差在0.4 ℃以内)。本文中采用插管式结构设计的多层地温测量传感器，测量精度高、安装使用方便、便于传感器后期维护和检定，需要注意的是该方式对结构加工工艺要求较高，一旦得到合适尺寸，可以制作模具批量生产。综上，基于四线制Pt电阻器的插管式多层地温测量传感器，设计合理、易于实现、便于维护。

参考文献:

[1]周 超,许东来,李海龙,等.基于DS18B20的地温测量系统[J].微计算机信息，2010,26(4-5):118-119.

[2]马 毅,张宏宇.多路铂电阻测温系统设计[J].电子测量技术，2012,35(5):87-89.

[3]吴奇生,华连生,陈 斌.四线制测温原理在气象地温数据观测中的应用[J].电子测量技术,2010,33(8):86-88.

[4]北京赛亿凌科技有限公司.Pt 100温度传感器[Z].北京：北京赛亿凌科技有限公司，2010.

[5]朱育红.工业铂电阻精确测温的方法[J].中国测试技术，2007,33(4):50-52.

[6]杨永竹.牛顿迭代法在智能仪表线性化中的应用[J].自动化仪表,1997,18(5):14-17.