折叠反馈补偿技术的铂电阻温漂修正方法

2018-01-24于云选

传感器与微系统 2018年1期

张宪，姜晶，于云选，刘慧

(中国电子科技集团公司第四十九研究所，黑龙江哈尔滨 150001)

0 引言

在工业生产过程常用到铂电阻温度传感器，虽然铂电阻的阻值对温度呈现出非常优异的直线性，但是在高精度测量方面，仍存在非线性误差，需要对铂电阻进行非线性校正[1]。国内外的研究人员提出了很多在高精度测量时，铂电阻测温的非线性校正方法，如硬件校正法和软件校正法[2]。硬件校正法，调整测量电路中的各种电路参数来进行校正补偿，特点是简单、直观；软件校正方法，通过单片机将测得的一定量的数据通过算法拟合从而可求得补偿参数，计算出温度值[3]。本文采用硬件校正法，利用折叠反馈技术进行非线性补偿，方法不仅安全可靠，而且可操作性高，生产成本也非常低廉。

1 铂电阻的测量方法

使用铂电阻测温，首先需要测出铂电阻在被测温度下的阻值。铂电阻的接线方式可以采用2线制、3线制或4线制；电阻测量电路主要采用3种电路：恒流源供电测量，自动调零和不平衡式电桥[4]。为了提高测量精度，设计采用恒流源供电，4线制连接以及非线性反馈相结合的方法。当以铂电阻作为传感器时，从测温点到变换器之间可能有几米或上百米的导线布线，为减少布线电阻值对传感器的影响，采用了4线连接方式，由于传感器的电流与输出布线完全独立，因此，可以有效地消除布线电阻值的影响[5]。

为了保证铂电阻不受流过本身电流所产生的热效应影响，一般电流不能大于5mA[6]。设计采用运算放大器作为恒流源，通过调节电阻器R可方便调节输出电流，通过测量铂电阻器Rt两端的电压，可得到相应的温度值[7]。

2 铂电阻的非线性校正原理

其非线性使得g(*)表现为非线性函数，需要通过一定量的标定数据经直接建模得到[8]。

3 铂电阻的非线性补偿设计

3.1 电路分析

假设铂电阻传感器的测温范围为0～100℃，输出电压为0.1～4.9V，则0～100℃铂电阻经典放大电路的电压输出函数为

(1)

而温度与阻值之间的对应关系为

Rt=R0(1+At+Bt2)

(2)

由式(1)和式(2)得输出函数为

Vt=at+bt2+V0

(3)

式中A,B为金属导体的电阻温度系数，Ω；R0为0℃时铂电阻的阻值，Ω；RF为满量程铂电阻的阻值，Ω；Rt为温度t℃时铂电阻的阻值，Ω；V0为温度为0℃时输出电压，0.1V；VF为满量程时电压差，4.8V；Vt为温度为t℃时输出电压，V。由此可见温度与电压是二次函数的对应关系。

3.2 折线补偿电路设计与分析

铂电阻自身特性决定了其变化量是一个二次函数，因此，使得A级铂电阻在0℃时误差范围达到±0.15℃，在100℃时误差范围达到±0.35℃；B级铂电阻更是分别达到了±0.3℃和±0.8℃。这对高精度的温度测量来说是致命的，因此，需要对具有高精度测量要求的温度传感器进行非线性补偿。

假设补偿曲线是一条理想的输出直线，即

(4)

由式(3)和式(4)可知，输出函数与理想直线之差为

V-F=(a-s)t+bt2

(5)

由式(5)可知，在测温范围为0～100℃，输出电压为0.1～4.9V设计要求下，其误差曲线是一条以(50，0.018)为顶点的抛物线，如图1所示。

图1 误差曲线

因此，需要制作一条经过顶点的折线补偿反馈电路对其进行非线性修正，如图2所示，将其衰减后的结果反馈给恒流源，以达到线性修正的目的。

图2 非线性修正电路及输出曲线

设0～50℃时的反馈直线L1，即

(6)

设50～100℃时的反馈L2，即

(7)

式中RS为恒流源采样电阻，Ω；N为折线L1的修正系数，0～1；M,s为比例系数；t为温度，℃；V0为温度为0℃时输出电压，V。分别将式(6)和式(7)代入式(3)，得出其修正后的电压输出关系式为0～50℃时的反馈L1，即

(8)

50～100℃时的反馈直线L2，即

(9)

式中a′,b′为常系数。由式(8)和式(9)可得，其比例系数M和N的值分别为800和0.8。

4 实验结果与分析

实验采用Pt100铂电阻作为测温元件，将其分度表中的理论值作为标准值输入。在0～100℃范围内，每隔10℃建立一个验证点，理论输出值分别应该为0.1，0.58，1.06，1.54，2.02，2.5，2.98，3.46，3.94，4.42和4.9，对于单点非线性补偿的方法，一般精度可以达到1%，而通过折叠反馈补偿的非线性校正后，其最大误差在2mV以内，非线性误差为0.04%，得到了理想的校正结果，如表1。因此，此类传感器非常适用于对温度测量要求高的工业生产中。