基于PT1000的高精度溫度測(cè)量系統(tǒng)

精密化學(xué)、生物醫(yī)藥、精細(xì)化工、精密儀器等領(lǐng)域?qū)囟瓤刂凭鹊囊髽O高，而溫度控制的核心正是溫度測(cè)量。采用鉑電阻測(cè)量溫度是一種有效的高精度溫度測(cè)量方法，但具有以下難點(diǎn)：引線電阻、自熱效應(yīng)、元器件漂移和鉑電阻傳感器精度。其中，減小引線電阻的影響是高精度測(cè)量的關(guān)鍵點(diǎn)。對(duì)于自熱效應(yīng)，根據(jù)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(cè)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足元器件漂移和鉑電阻傳感器精度的要求。
    易先軍等提出了以鉑電阻為測(cè)溫元件的高精度溫度測(cè)量方案，解決了高精度測(cè)量對(duì)硬件電路的一些苛刻要求問(wèn)題，但是精度不佳(±0.4 ℃)；楊彥偉提出了以MAX1402、AT89C51和Pt500鉑電阻設(shè)計(jì)的精密溫度測(cè)量系統(tǒng)方案解決了基本的高精度問(wèn)題，但是系統(tǒng)功耗大，精度仍然不佳；李波等提出采用以負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻為核心的高精度測(cè)量方案，較好解決了高精度的問(wèn)題，但是性價(jià)比不高，實(shí)施效果不佳，測(cè)溫分辨率能達(dá)到0．01℃，測(cè)溫準(zhǔn)確度只達(dá)到O．1℃。這里提出采用三線制恒流源驅(qū)動(dòng)方案克服引線電阻、自熱效應(yīng)，利用單片機(jī)系統(tǒng)校正控制方案實(shí)現(xiàn)元器件漂移和鉑電阻傳感器精度校準(zhǔn)，最后在上位機(jī)中采用MLS數(shù)值算法實(shí)現(xiàn)噪聲抵消，大大提高了溫度測(cè)量精度和穩(wěn)定度。

1 高精度測(cè)量方案及原理
    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(cè)溫元件進(jìn)行溫度測(cè)量的關(guān)鍵是要能準(zhǔn)確地測(cè)量出鉑電阻傳感器的電阻值。按照IEC751國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)在常用的Pt1000(Ro=1 000 Ω)是以溫度系數(shù)TCR=0．003 851為標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一設(shè)計(jì)的鉑電阻。其溫度電阻特性是：

    本溫度測(cè)量系統(tǒng)采用三線制恒流源驅(qū)動(dòng)法驅(qū)動(dòng)鉑電阻傳感器。三線制恒流源驅(qū)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)，直接測(cè)量傳感器的電阻變化量。圖l為三線制恒流源驅(qū)動(dòng)法高精度測(cè)量方案，參考電阻與傳感器串聯(lián)連接，用恒流源驅(qū)動(dòng)，電路各元件將產(chǎn)生相應(yīng)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(zhuǎn)換器直接測(cè)量，并采用2次電壓測(cè)量—交換驅(qū)動(dòng)電流方向，在每個(gè)電流方向上各測(cè)量一次。其特點(diǎn)是直接測(cè)量傳感器的電阻變化量，A／D轉(zhuǎn)換器利用效率高，電路輸出電壓同電阻變化量成線性關(guān)系。傳感器采用三線制接法能有效地消除導(dǎo)線電阻和自熱效應(yīng)的影響。利用單片機(jī)系統(tǒng)控制兩次測(cè)量電壓可以避免接線勢(shì)壘電壓及放大器、A／D轉(zhuǎn)換器的失調(diào)與漂移產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差，還可以校準(zhǔn)鉑電阻傳感器精度。恒流源與A／D轉(zhuǎn)換器共用參考基準(zhǔn)，這樣根據(jù)A／D轉(zhuǎn)換器的計(jì)量比率變換原理，可以消除參考基準(zhǔn)不穩(wěn)定產(chǎn)生的誤差，不過(guò)對(duì)恒流源要求較高，電路結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。為了進(jìn)一步克服噪聲和隨機(jī)誤差對(duì)測(cè)量精度和穩(wěn)定度的影響，最后在上位機(jī)中采用MLS數(shù)值算法實(shí)現(xiàn)噪聲抵消，大大提高了溫度測(cè)量精度和穩(wěn)定度。

2 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)
2．1 三線制恒流源驅(qū)動(dòng)電路
    恒流源驅(qū)動(dòng)電路負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)溫度傳感器Pt1000，將其感知的隨溫度變化的電阻信號(hào)轉(zhuǎn)換成可測(cè)量的電壓信號(hào)。本系統(tǒng)中，所需恒流源要具有輸出電流恒定，溫度穩(wěn)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(yīng)的上限)，負(fù)載一端接地，輸出電流極性可改變等特點(diǎn)。
    由于溫度對(duì)集成運(yùn)放參數(shù)影響不如對(duì)晶體管或場(chǎng)效應(yīng)管參數(shù)影響顯著，由集成運(yùn)放構(gòu)成的恒流源具有穩(wěn)定性更好、恒流性能更高的優(yōu)點(diǎn)。尤其在負(fù)載一端需要接地的場(chǎng)合，獲得了廣泛應(yīng)用。所以采用圖2所示的雙運(yùn)放恒流源。其中放大器UA1構(gòu)成加法器，UA2構(gòu)成跟隨器，UA1、UA2均選用低噪聲、低失調(diào)、高開(kāi)環(huán)增益雙極性運(yùn)算放大器OP07。

    設(shè)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(dāng)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(yùn)放恒流源具有以下顯著特點(diǎn)：
    1)負(fù)載可接地；2)當(dāng)運(yùn)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?yún)⒖蓟鶞?zhǔn)VREF或調(diào)整參考電阻Rref0的大小來(lái)實(shí)現(xiàn)，很容易得到穩(wěn)定的小電流和補(bǔ)償校準(zhǔn)。
    由于電阻的失配，參考電阻Rref0的兩端電壓將會(huì)受到其驅(qū)動(dòng)負(fù)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(fù)載的變化而變化，從而就會(huì)影響恒流源的穩(wěn)定性。顯然這對(duì)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(duì)電阻的失配大小方向要一致。實(shí)際中，可以對(duì)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(hào)調(diào)理電路
    信號(hào)調(diào)理電路如圖3所示，放大器UA3對(duì)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(hào)，其值為
   
    放大器UA4對(duì)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(hào)，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(duì)大量普通標(biāo)稱電阻進(jìn)行篩選，從中選取阻值最接近的。

2．3 A／D轉(zhuǎn)換電路
    A／D轉(zhuǎn)換電路由一個(gè)集成A／D轉(zhuǎn)換器AD7712完成，同時(shí)將利用其內(nèi)部的PGA完成儀表放大器的差分放大功能。AD7712是適合低頻測(cè)量的高精度A／D轉(zhuǎn)換器。片內(nèi)含有2個(gè)輸入通道AIN1和AIN2，能將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)輸出。利用AD7712實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換采集的原理電路如圖4所示，實(shí)際工作時(shí)需要對(duì)其進(jìn)行配置。選用差分輸入通道AIN1，輸入信號(hào)極性為雙極性。

    測(cè)量結(jié)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(shù)k和A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換輸出的誤差。為了達(dá)到要求的測(cè)量精度，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(wěn)定性。AD7712的非線性誤差小于O．001 5％，增益溫度穩(wěn)定性小于2 ppm，并且還可以通過(guò)單片機(jī)對(duì)AD7712進(jìn)行校準(zhǔn)來(lái)減小其非線性誤差以及增益誤差。

3 定標(biāo)與實(shí)測(cè)結(jié)果
3．1 測(cè)量系統(tǒng)定標(biāo)
    首先用高精度電阻箱(誤差5 ppm)代替Pt1000對(duì)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行定標(biāo)。根據(jù)式2所示的實(shí)測(cè)Pt1000電阻／溫度關(guān)系標(biāo)定數(shù)據(jù)，通過(guò)改變電阻箱的取值來(lái)設(shè)定相對(duì)應(yīng)的測(cè)試溫度點(diǎn)標(biāo)稱值，經(jīng)過(guò)測(cè)量系統(tǒng)、A／D采樣和上位機(jī)程序計(jì)算，得到測(cè)量溫度顯示值。根據(jù)初測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)測(cè)量電路、補(bǔ)償電壓進(jìn)行校準(zhǔn)后，得到測(cè)量系統(tǒng)定標(biāo)數(shù)據(jù)如表1所示。

    從表l測(cè)量數(shù)據(jù)可見(jiàn)，測(cè)量系統(tǒng)引入的最大誤差為0．003℃。因此只要Pt1000鉑電阻的定標(biāo)誤差足夠小，精度高，整個(gè)溫度測(cè)量系統(tǒng)就可以滿足高精度的測(cè)量要求。
3．2 恒溫箱實(shí)測(cè)
    將鉑電阻傳感器Pt1000接入測(cè)量系統(tǒng)，并置入高精度恒溫箱中(溫控精度0．01℃)進(jìn)行整個(gè)溫度測(cè)量系統(tǒng)定標(biāo)測(cè)量。測(cè)量時(shí)要注意恒溫箱的密封，以提高環(huán)境溫度穩(wěn)定性；恒溫箱溫度穩(wěn)定后，每隔3 min對(duì)同一溫度點(diǎn)進(jìn)行20次測(cè)量。測(cè)量溫度值數(shù)據(jù)及處理結(jié)果如表2所示。由于設(shè)備條件所限，測(cè)量溫度范圍只有(10～70℃)。

    表2中，隨機(jī)誤差是根據(jù)同一溫度點(diǎn)的20次測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算出的標(biāo)準(zhǔn)偏差(σ=SQR[(xi-X)2／(n-1)])；系統(tǒng)誤差是恒溫箱設(shè)定溫度與本溫度測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量溫度平均值的差值。由表2中數(shù)據(jù)可見(jiàn)，測(cè)量系統(tǒng)的最大隨機(jī)誤差為0．005℃，且在接近室溫時(shí)最小；測(cè)量系統(tǒng)的最大系統(tǒng)誤差為-0．009℃，說(shuō)明Pt1000鉑電阻傳感器的定標(biāo)誤差較小，精度也較高，能滿足高精度溫度測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量要求，但溫度高端誤差較大，可能與恒溫箱溫度控制精度有關(guān)，有待于進(jìn)一步定標(biāo)。

4 結(jié)論
    利用三線制恒流源驅(qū)動(dòng)Pt1000鉑電阻，有效克服了導(dǎo)線電阻和自熱效應(yīng)對(duì)測(cè)量精度的影響；利用單片機(jī)計(jì)算雙極性驅(qū)動(dòng)電流下的兩次測(cè)量電壓可有效避免接線勢(shì)壘電壓及放大器、A／D轉(zhuǎn)換器的失調(diào)與漂移產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差；恒流源與A／D轉(zhuǎn)換器共用參考基準(zhǔn)，有效消除了參考基準(zhǔn)不穩(wěn)定產(chǎn)生的誤差。在上位機(jī)中采用MLS數(shù)值算法抵消噪聲，進(jìn)一步克服了噪聲和隨機(jī)誤差對(duì)測(cè)量精度和穩(wěn)定度的影響，大大提高了溫度測(cè)量精度和穩(wěn)定度，使得整機(jī)最大的測(cè)量誤差不大于0．01℃。