基于PT1000的高精度溫度測量系統(tǒng)

精密化學、生物醫(yī)藥、精細化工、精密儀器等領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測量。采用鉑電阻測量溫度是一種有效的高精度溫度測量方法，但具有以下難點：引線電阻、自熱效應、元器件漂移和鉑電阻傳感器精度。其中，減小引線電阻的影響是高精度測量的關鍵點。對于自熱效應，根據(jù)元件發(fā)熱公式P=I2R，必須使流過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。但是過小的電流又會使信噪比下降，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溫元件的高精度溫度測量方案，解決了高精度測量對硬件電路的一些苛刻要求問題，但是精度不佳(±0.4 ℃)；楊彥偉提出了以MAX1402、AT89C51和Pt500鉑電阻設計的精密溫度測量系統(tǒng)方案解決了基本的高精度問題，但是系統(tǒng)功耗大，精度仍然不佳；李波等提出采用以負溫度系數(shù)熱敏電阻為核心的高精度測量方案，較好解決了高精度的問題，但是性價比不高，實施效果不佳，測溫分辨率能達到0．01℃，測溫準確度只達到O．1℃。這里提出采用三線制恒流源驅動方案克服引線電阻、自熱效應，利用單片機系統(tǒng)校正控制方案實現(xiàn)元器件漂移和鉑電阻傳感器精度校準，最后在上位機中采用MLS數(shù)值算法實現(xiàn)噪聲抵消，大大提高了溫度測量精度和穩(wěn)定度。

1 高精度測量方案及原理
    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。以鉑電阻作為測溫元件進行溫度測量的關鍵是要能準確地測量出鉑電阻傳感器的電阻值。按照IEC751國際標準，現(xiàn)在常用的Pt1000(Ro=1 000 Ω)是以溫度系數(shù)TCR=0．003 851為標準統(tǒng)一設計的鉑電阻。其溫度電阻特性是：

    本溫度測量系統(tǒng)采用三線制恒流源驅動法驅動鉑電阻傳感器。三線制恒流源驅動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)，直接測量傳感器的電阻變化量。圖l為三線制恒流源驅動法高精度測量方案，參考電阻與傳感器串聯(lián)連接，用恒流源驅動，電路各元件將產生相應的電壓，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轉換器直接測量，并采用2次電壓測量—交換驅動電流方向，在每個電流方向上各測量一次。其特點是直接測量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性關系。傳感器采用三線制接法能有效地消除導線電阻和自熱效應的影響。利用單片機系統(tǒng)控制兩次測量電壓可以避免接線勢壘電壓及放大器、A／D轉換器的失調與漂移產生的系統(tǒng)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(jù)A／D轉換器的計量比率變換原理，可以消除參考基準不穩(wěn)定產生的誤差，不過對恒流源要求較高，電路結構較為復雜。為了進一步克服噪聲和隨機誤差對測量精度和穩(wěn)定度的影響，最后在上位機中采用MLS數(shù)值算法實現(xiàn)噪聲抵消，大大提高了溫度測量精度和穩(wěn)定度。

2 系統(tǒng)電路設計
2．1 三線制恒流源驅動電路
    恒流源驅動電路負責驅動溫度傳感器Pt1000，將其感知的隨溫度變化的電阻信號轉換成可測量的電壓信號。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。
    由于溫度對集成運放參數(shù)影響不如對晶體管或場效應管參數(shù)影響顯著，由集成運放構成的恒流源具有穩(wěn)定性更好、恒流性能更高的優(yōu)點。尤其在負載一端需要接地的場合，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，則Va=VREFx+Vb，故恒流源的輸出電流就為：
   
    由此可見該雙運放恒流源具有以下顯著特點：
    1)負載可接地；2)當運放為雙電源供電時，輸出電流為雙極性；3)恒定電流大小通過改變輸入參考基準VREF或調整參考電阻Rref0的大小來實現(xiàn)，很容易得到穩(wěn)定的小電流和補償校準。
    由于電阻的失配，參考電阻Rref0的兩端電壓將會受到其驅動負載的端電壓Vb的影響。同時由于是恒流源，Vb肯定會隨負載的變化而變化，從而就會影響恒流源的穩(wěn)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。實際中，可以對大量同一批次的精密電阻進行篩選，選出其中阻值接近的4個電阻。
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，即通過對大量普通標稱電阻進行篩選，從中選取阻值最接近的。

2．3 A／D轉換電路
    A／D轉換電路由一個集成A／D轉換器AD7712完成，同時將利用其內部的PGA完成儀表放大器的差分放大功能。AD7712是適合低頻測量的高精度A／D轉換器。片內含有2個輸入通道AIN1和AIN2，能將模擬信號轉換成串行數(shù)據(jù)輸出。利用AD7712實現(xiàn)數(shù)據(jù)轉換采集的原理電路如圖4所示，實際工作時需要對其進行配置。選用差分輸入通道AIN1，輸入信號極性為雙極性。

    測量結果的誤差主要來源于參考電阻Rref、Rref0的誤差，以及差分放大倍數(shù)k和A／D轉換器轉換輸出的誤差。為了達到要求的測量精度，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，并且還可以通過單片機對AD7712進行校準來減小其非線性誤差以及增益誤差。

3 定標與實測結果
3．1 測量系統(tǒng)定標
    首先用高精度電阻箱(誤差5 ppm)代替Pt1000對測量系統(tǒng)進行定標。根據(jù)式2所示的實測Pt1000電阻／溫度關系標定數(shù)據(jù)，通過改變電阻箱的取值來設定相對應的測試溫度點標稱值，經過測量系統(tǒng)、A／D采樣和上位機程序計算，得到測量溫度顯示值。根據(jù)初測數(shù)據(jù)對測量電路、補償電壓進行校準后，得到測量系統(tǒng)定標數(shù)據(jù)如表1所示。

    從表l測量數(shù)據(jù)可見，測量系統(tǒng)引入的最大誤差為0．003℃。因此只要Pt1000鉑電阻的定標誤差足夠小，精度高，整個溫度測量系統(tǒng)就可以滿足高精度的測量要求。
3．2 恒溫箱實測
    將鉑電阻傳感器Pt1000接入測量系統(tǒng)，并置入高精度恒溫箱中(溫控精度0．01℃)進行整個溫度測量系統(tǒng)定標測量。測量時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對同一溫度點進行20次測量。測量溫度值數(shù)據(jù)及處理結果如表2所示。由于設備條件所限，測量溫度范圍只有(10～70℃)。

    表2中，隨機誤差是根據(jù)同一溫度點的20次測量數(shù)據(jù)計算出的標準偏差(σ=SQR[(xi-X)2／(n-1)])；系統(tǒng)誤差是恒溫箱設定溫度與本溫度測量系統(tǒng)測量溫度平均值的差值。由表2中數(shù)據(jù)可見，測量系統(tǒng)的最大隨機誤差為0．005℃，且在接近室溫時最小；測量系統(tǒng)的最大系統(tǒng)誤差為-0．009℃，說明Pt1000鉑電阻傳感器的定標誤差較小，精度也較高，能滿足高精度溫度測量系統(tǒng)的測量要求，但溫度高端誤差較大，可能與恒溫箱溫度控制精度有關，有待于進一步定標。

4 結論
    利用三線制恒流源驅動Pt1000鉑電阻，有效克服了導線電阻和自熱效應對測量精度的影響；利用單片機計算雙極性驅動電流下的兩次測量電壓可有效避免接線勢壘電壓及放大器、A／D轉換器的失調與漂移產生的系統(tǒng)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(wěn)定產生的誤差。在上位機中采用MLS數(shù)值算法抵消噪聲，進一步克服了噪聲和隨機誤差對測量精度和穩(wěn)定度的影響，大大提高了溫度測量精度和穩(wěn)定度，使得整機最大的測量誤差不大于0．01℃。