CN104236742A - 一种高精度的铂电阻温度测量方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高精度的铂电阻温度测量方法和装置，采用微电流驱动四线制Pt100铂电阻的测温方案，测量装置由恒流源驱动电路、四线制铂电阻接口电路、仪用放大电路、抗混叠滤波电路、采样保持电路以及A/D采样电路、单片机系统构成。恒流源由二个低噪声、低失调、高开环增益的双极性运算放大器OP07CD组成；四线制接口电路分为恒流源动力引线和电压驱动引线两部分；仪用放大电路由二级差分放大电路组成；抗混叠滤波电路为RC低通滤波电路；A/D转换器为24位高分辨率A/D转换器CS5550。本发明测量精度高，标定后温度测量误差小于±0.03℃，可以满足工业生产过程中对温度测量的高精度要求。

Description

一种高精度的铂电阻温度测量方法和装置

技术领域

本发明涉及工业生产过程检测领域，特别是涉及一种高精度的Pt100铂电阻温度测量方法和装置。

背景技术

温度是工业生产过程中非常重要的测量参数，温度测量和控制的准确性直接影响产品生产和产品质量。随着测量技术的发展，对温度测量精度的要求也越来越高，譬如，化工行业联合制碱中要求温差控制在0.2℃，在色谱仪的工作范围内要求温度测量优于0.05℃。铂电阻温度传感器因具有精度高、线性度好、响应速度快等诸多优点，被作为工业精密测量系统中广泛使用的理想测温元件。采用铂电阻进行高精度温度测量需要克服几个技术难点：引线电阻、自热效应、元器件漂移以及噪声干扰等，现有的测量装置还不能同时解决上述问题。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种高精度的铂电阻温度测量方法和装置。

本发明所采用的技术方案是：

采用微电流驱动四线制Pt100铂电阻的测温方法。

测量装置由恒流源驱动电路、四线制铂电阻接口电路、仪用放大电路、抗混叠滤波电路、采样保持电路以及A/D采样电路、单片机系统构成。

(1)恒流源电路

恒流源是铂电阻测温电路中的关键模块，其功能是将铂电阻温度传感器感知的随温度变化的电阻信号转换成可测量的电压信号。恒流源由二个低噪声、低失调、高开环增益的双极性运算放大器OP07CD组成，恒流源参考电压由超低噪声的LDOXFET基准电压源A/DR441B提供稳定电压，所有电阻均选用精度0.1％的精密电阻

(2)四线制铂电阻接口电路

为消除铂电阻引线电阻对测量精度造成的影响，Pt100铂电阻采用四线制接法。四线制接口电路分为恒流源动力引线和电压驱动引线两部分，将驱动Pt100的恒流源与温度检测电路分开，保证即使引线电阻出现变化产生压降也不会影响温度测量的准确性。

(3)仪用放大电路

恒流源电流流过四线制铂电阻产生的差分信号通过仪用放大电路输出一个单端对地的信号，能够有效减少系统中共模干扰对其影响。仪用放大电路由二个运算放大器按同相输入接法组成第一级差分放大电路，第三运算放大器组成第二级差分放大电路，该仪用放大器具有增益可调节、高输入阻抗、低输出阻抗、高共模抑制比特点。

(4)抗混叠滤波与采样保持电路

在测温系统的数据采集过程中，不可避免地会混入干扰信号。为了最大程度地抑制混淆现象，采用抗混叠滤波和采样保持电路将混叠信号进行衰减和滤除。抗混叠滤波电路为RC低通滤波电路，采样保持电路在采样阶段与低通滤波电路直接相连。

(5)A/D转换器

A/D转换器是数据采集器的核心器件，决定了系统的测量精度。选用24位高分辨率A/D转换器CS5550，自带数字滤波器，通过配置寄存器的转换次数进行均值滤波。

(6)单片机系统

单片机通过SPI总线和A/D转换器CS5550连接。

工作过程是：恒定电流通过Pt100产生相应的电压信号，先进入仪用放大电路，去除共模干扰并进行适当放大，再通过抗混叠滤波电路和采样保持电路去除高频谐波，然后输入高精度A/D转换器。A/D转换后的数字信号进入单片机系统进行数字滤波，最终通过得出真实温度。

本发明的有益技术效果是：采用微电流驱动四线制Pt100铂电阻的测温方法，可以完全去除引线电阻引起的误差，有效减少自热效应，通过使用抗干扰滤波技术降低噪声、抑制干扰、减少系统误差，提高系统的测量精度和稳定性。标定后温度测量误差小于±0.03℃，可以满足工业生产过程中对温度测量的高精度要求。

附图说明

图1是四线制铂电阻Pt100高精度测温系统结构图。

图2是恒流源驱动电路图。

图3是铂电阻Pt100四线制接口电路。

图4是仪用放大电路。

图5是抗混叠滤波和采样保持电路。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。

Pt100铂电阻是利用金属铂(Pt)的电阻值随温度变化而变化的物理特性而制成的温度传感器，用Pt100作为测温元件进行温度测量的关键是要准确测量出Pt100的电阻值。按照IEC751国际标准，现在常用的Pt100(R₀＝100Ω)是以温度系数TCR＝0.003851为标准统一设计的铂电阻。它的温度电阻特性非线性度小，实际计算一般采用线性化处理，温度计算公式如下：t＝(R_t-100)/0.3851。

根据Pt100铂电阻的温度特性，的四线制Pt100铂电阻高精度测温系统如图1所示。

恒流源是铂电阻测温电路中的关键模块，其功能是将铂电阻温度传感器感知的随温度变化的电阻信号转换成可测量的电压信号。恒流源电路如图2所示，其中，运算放大器U1构成加法器，U2构成电压跟随器。U1、U2选用低噪声、低失调、高开环增益的双极性运算放大器OP07CD。V_ref为恒流源参考电压，由超低噪声LDOXFET基准电压源A/DR441B提供稳定电压，温度系数为3ppm/℃，实际输出为2.485V。R_ref＝10kΩ为参考电阻，R₅、R₆、R₇、R₈为分压电阻，均选用精度0.1％的精密电阻且R₅＝R₆＝R₇＝R₈＝10kΩ。该恒流源电路具有输出电流恒定、输出阻抗大、温度稳定性好、负载一端可接地特点，输出电流Iout＝V_ref/R_ref＝248.5μA。

在铂电阻高精度温度测量系统中，引线电阻一定不能忽略。常规的二线制、三线制铂电阻测温方法是忽略其引线电阻或者近似认为引线电阻值相等，这两种方法的测量值和真实值存在一定的偏差，且引线越长，误差越大。为消除铂电阻引线电阻对测量精度造成的影响，Pt100铂电阻采用四线制接法。四线制接口电路如图3所示，分为恒流源动力引线和电压驱动引线两部分。其中，R₁、R₂二条引线属于恒流源动力引线，将铂电阻传感器连接到恒流源；R₃、R₄二条引线属于电压驱动引线，将Pt100铂电阻的电压信号连接到仪用放大电路。将驱动Pt100铂电阻的恒流源与温度检测电路分开，保证即使R₁和R₂二条引线电阻出现变化产生压降也不会影响温度测量。R₁、R₂、R₃、R₄为引线电阻。

共模干扰是采集系统中常见的一种干扰，主要由外界功率器件感应耦合、辐射耦合以及电路不平衡性产生。恒流源通过四线制铂电阻产生的差分信号通过仪用放大电路输出一个单端对地的信号，能够有效减少系统中共模干扰对其影响。仪用放大电路如图4所示。由运算放大器U3、U4按同相输入接法组成第一级差分放大电路，运算放大器U5组成第二级差分放大电路，将U3、U4的输出作为U5的输入。电压增益由电阻调节，其中R₉＝R₁₁＝R₁₂＝22kΩ，R₁₀＝R₁₃＝R₁₄＝22kΩ。该仪用放大器具有增益可调节、高输入阻抗、低输出阻抗、高共模抑制比特点。Rg断开即电阻趋于无穷大，该仪用放大电路电压增益A_v＝V_out/(V₁-V₂)＝R₁₃/R₁₁×(1+(R₉+R₁₀)/Rg)＝1。

在测温系统的数据采集过程中，不可避免地会混入干扰信号。常见的干扰信号有电力线频率在50Hz或60Hz的工频噪声以及其他高频设备产生的噪声等。当这些信号的频率超过奈奎斯特采样定理所规定的范围时，就会采集到一些混叠信号并对有用信号造成干扰，即频率混叠。这种频率混叠信号即使后续电路中有数字滤波也不能完全消除干扰，为了最大程度地抑制混淆现象，需要采用抗混叠滤波和采样保持电路将混叠信号进行衰减和滤除。

抗混叠滤波电路设计如图5所示。虚线部分(1)是由电阻R₁₅和电容C₁组成的RC低通滤波电路，能够滤除高频信号中大于低通滤波电路截止频率1/2πRC的干扰信号。虚线部分(2)为采样保持电路，能够减小孔径误差充分发挥A/D转换器的性能，同时滤除高频谐波。在这个电路中，采样保持电路在采样阶段与低通滤波电路直接相连，电容C₁与C₂会形成一个充放电回路，在采样时间很短的情况下，C₁和C₂上的电压都达不到稳定，增加系统干扰，影响采集精度，因此必须增大电容C₁的容值。使用24位A/D转换器，当C1/C2>2²⁴时，就可以大幅度减小由电容充、放电带来的干扰。抗混叠滤波电路选用电阻R15＝100Ω，电容C1＝47μF，C2＝2pF。保证C1/C2大于2²⁴，截止频率1/(2π×R15×C1)小于30Hz，滤除高频信号，通过低频信号。

A/D转换器是数据采集器的核心器件，决定了系统的测量精度。选用24位高分辨率A/D转换器CS5550，电压增益选50倍，使其输入电压在1.250V～1.731V之间，维持在其满量程的1/2～2/3，充分发挥A/D转换性能。最高转换速度为4000sps，自带数字滤波器，通过配置寄存器的转换次数进行均值滤波，24bit双极性输出，最高位表示符号位。

根据上述参数设置可以得出实际温度T和测量电压为Vout的理论关系为：

T＝(V_out/I_out-100)/0.3851＝10.449×V_out-259.673                (1)

由于铂电阻Pt100的自身精度以及电路中元器件的漂移，根据理论公式计算得出的温度会和真实温度会存在一定偏差。选用不同铂电阻进行测温时，必须先进行温度标定，求得电压和温度的实际对应关系。

采用RTS-35A制冷恒温槽与精度0.01℃高精密温度计进行温度标定，该恒温槽稳定后温度波动度为±0.01℃/30min。在10℃～80℃范围内，铂电阻测温系统每隔10℃进行一次温度测量。测量时A/D采样速率选用500sps，待恒温槽温度稳定后，对每组温度进行100s的采集，进而对所求的50000个测量电压求平均，测量温度由理论公式(1)计算得出，实际温度由高精度温度计测量得出。

标定前测量温度和实际温度误差超过0.3℃，说明根据理论公式计算的温度和实际真实温度存在较大误差，必须进行温度标定。根据这8组不同温度下恒温槽的实际温度和系统实际测得电压值采用最小二乘法进行线性拟合，得出实际温度T和实际测量电压_Vout的实际关系为：

T＝10.445×Vout-259.923                           (2)

根据线性拟合公式(2)再次测量恒温槽的温度，通过测量结果分析，系统根据拟合公式测得的温度和实际温度的误差不超过±0.03℃。

以上是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于发明技术方案的范围内。

Claims (1)

1.一种高精度的铂电阻温度测量方法和装置，其特征在于，采用微电流驱动四线制Pt100铂电阻的测温方法，测量装置由恒流源驱动电路、四线制铂电阻接口电路、仪用放大电路、抗混叠滤波电路、采样保持电路以及A/D采样电路、单片机系统构成。