CN105910726B - 一种铂电阻测温的硬件非线性补偿方法 - Google Patents

一种铂电阻测温的硬件非线性补偿方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种铂电阻测温的硬件非线性补偿方法，采用非线性补偿电路从测量电路的输出取出一部分正反馈给测量电路输入端，且反馈电流随温度升高逐渐加大，使得该电路具有很好的跟踪特性，在低温区和高温区都能得到很好的补偿作用，从而校正铂电阻测温存在的非线性误差；测量装置由偏置补偿电路、测量电路、非线性补偿电路、增益电路和基准电压电路构成；本发明方法构成的温度测量装置线路简单、易调整、非线性补偿效果好。

Description

一种铂电阻测温的硬件非线性补偿方法
技术领域
本发明涉及工业生产过程检测领域，特别是涉及一种铂电阻测温的硬件非线性补偿方法。
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。铂电阻温度传感器因具有测温范围广、准确度高、可靠性好等优点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。
-50-500℃是科学研究和工业生产最常用的温度范围，标准铂电阻温度计作为1990年国际温标(ITS－90)规定的内插测温仪器，是-50-500℃温度段内测温准确度最高的测温仪器。铂电阻作为温度敏感元件，是铂电阻温度计的核心部件。Pt1000铂电阻作为精密测温常用的传感器具有性能稳定、重复性好、误差小等优点，但存在一定的非线性误差。将铂电阻随温度变化而产生的阻值变化转换为可被进一步处理的电压信号需进行非线性校正。本发明基于硬件的非线性补偿方法，使得非线性误差降低到0.1％。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种铂电阻测温的硬件非线性补偿方法。
本发明所采用的技术方案是：
采用非线性补偿电路从测量电路的输出取出一部分反馈给测量电路输入端，从而校正铂电阻测温存在的非线性误差；该反馈为正反馈，且反馈电流随温度升高逐渐加大，使得该电路具有很好的跟踪特性，在低温区和高温区都能起到很好的补偿作用。
构成的测量装置由偏置补偿电路、测量电路、非线性补偿电路、增益电路和基准电压电路构成。
(1)偏置补偿电路
由三个固定电阻(R8＝1K、R9＝10K、R10＝1K)、一个可调电位器WZ＝1K和一个运放U1组成的放大器构成偏置补偿电路，调整电位器WZ使0℃时增益电路输出为0mV；
(2)测量电路
由铂电阻PT和一个运放U2组成的放大器构成测量电路，基准电压UREF＝5V和固定电阻R4＝20K为铂电阻PT提供0.25mA的静态工作电流；
(3)非线性补偿电路
由三个固定电阻(R5＝10K、R6＝10K、R7＝24K)、一个可调电位器WNL＝2K和一个运放U3组成的放大器构成非线性补偿电路，可调电位器WNL用于调整非线性补偿量；
(4)增益电路
由三个固定电阻(R11＝9.1K、R12＝10K、R13＝91K)、一个可调电位器WG＝5K和一个运放U4组成的放大器构成增益电路，可调电位器WNL用于调整增益；
(5)基准电压电路
由三个固定电阻(R1＝4.7K、R2＝300K、R3＝3.9K)、一个电容C1＝0.1μF、一个可调电位器WV5＝2K、和一个ADI的高性能基准源AD584L构成基准电压电路，电位器WV5用于输出基准电压UREF微调；
ADI的高性能基准源AD584L具有引脚可编程的特点，可以输出10V、7.5V、5V和2.5V电压，初始精度±0.06％，温漂系数10ppm/℃。
由于有三个电位器(WZ、WNL、WG)的调节作用，故而四个运放(U1、U2、U3、U4)的失调电压并不重要，通用运放LM324即可胜任，要求高的可以用LT1014。
为了保证测量温度的准确性，需选择低温度系数的固定电阻，例如原军工718厂的RJ24金属膜电阻。
工作过程是：电位器WZ用于调零，WG用于调整增益，WNL用于线性化校正。经过增益放大，输出10mV/℃的模拟电压量，乘以100就是被测温度；
本发明的有益技术效果是：采用非线性补偿电路从测量电路的输出取出一部分反馈给测量电路输入端，从而校正铂电阻测温存在的非线性误差，构成的温度测量装置具有线路简单、易调整、非线性补偿效果好特点。
附图说明
附图1是硬件非线性补偿的铂电阻测温电路。
附图2是5V基准电压电路。
附图1带箭头短线表示支路电流，大写字母代表节点，电源PWR+＝15V，PWR-＝-15V。
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。
符合国际标准的铂电阻，通常用式(1)表达铂电阻值PT随温度的变化：
PT＝PT0[1+aT-bT2-cT3(T-100)] (1)
其中，T是以摄氏度为单位的被测温度；PT0是0℃时的铂电阻值，常见的有100Ω、500Ω和1000Ω；a＝3.90802×10-3、b＝5.80195×10-7和c(T≥0℃时，c＝0；T＜0时，c＝4.27351×10-12)是温度系数。
系数c只有在负温度时才起作用，通过简单估算可知，即使温度低至－100℃，其影响也不足0.1％，所以绝大多数情况下可忽略，式(1)变为式(2)：
PT＝PT0[1+aT-bT2] (2)
式(2)中的第一项是直流偏置，本发明电路使用偏置补偿法将其消除；第二项是铂电阻随温度的线性变化；第三项是非线性项，如果忽略的话将产生2％左右的测量误差，本发明电路用硬件非线性补偿方法抵消其影响。
基准电压UREF和R4为铂电阻PT提供0.25mA的静态工作电流，偏置补偿电路使得0℃时的输出U0为0mV，非线性补偿电路从节点B的输出取出一部分反馈给输入端，从而校正式(2)中第三项的影响。该反馈为正反馈，且反馈电流随温度升高逐渐加大，使得该电路具有很好的跟踪特性，在低温区和高温区都能得到很好的补偿作用。最后经过增益放大，输出10mV/℃的模拟电压量U0，乘以100就是被测温度。如需其他增益，成比例增减R13和WG的阻值即可。
根据附图1，假设运放是理想的，则理论分析如下：
UA＝0，UC＝＝-UB，UE＝UD＝(UREF×R10)/(R8+R9+R10)＝0.25V，UF＝0
I1＝UREF/R4＝0.25mA，I2＝UC/(R7+WNL)＝-UB/(R7+WNL)，I3＝-UB/PT
I4＝UF/(R11+WZ)＝0.25V/(R11+WZ)，I5＝UB/R12，I6＝-U0/(R13+WG)
I1+I2＝I3→UB＝-0.25mA×PT/[1-PT/(R7+WNL)]
I4+I5＝I6→0.25V/(R11+WZ)+UB/R12＝-U0/(R13+WG)
令γ＝[(R11+WZ)/R12]×[1-PT/(R7+WNL)]
求得输出为：
U0＝-[(R13+WG)/(R11+WZ)]×0.25V×{(-γ×a×T)+(1-γ)+(γ×b×T2)} (3)其中，大括号内第一项是需要输出的线性部分；第二项起偏置补偿电路的作用，这一项近似为零；第三项是非线性补偿部分。调整电路中三个电位器，可以在很宽的温度范围内使后面两项之和基本为零。
假设被测温度范围是-50～500℃，取250℃时的工作点进行非线性校准，即要求：
1-γ+γ×b×T2≌0；取T＝250℃，得γ＝1.03763；
取(R11+WZ)≌R12，得PT/(R7+WNL)≌0.03626。
实际上，(R11+WZ)<R12，且铂电阻随温度变化，经过大量计算机仿真，得出当PT/(R7+WNL)≌0.041时，电路将处于最佳状态。为此选取R7＝24kΩ的固定电阻和WNL＝2KΩ的电位器进行调节。
电路调整步骤；如铂电阻选用德国赫利氏产品PT1000，电路调整的时候先不接铂电阻 PT1000，准备3个假负载电阻1000Ω、1385Ω和2809Ω，分别对应0℃、100℃和500℃。
(1)接上1000Ω电阻，调节电位器WZ，使得输出约为0mV。
(2)接上2809Ω电阻，调节电位器WG，使得输出约为5000mV。
(3)接上1385Ω电阻，调节电位器WNL，使得输出约为1000mV。
(4)由于步骤(1)、(2)和(3)互相影响，重复若干次可达到优于±0.5℃的精度。
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)

1.一种铂电阻测温的硬件非线性补偿方法，其特征在于：
采用非线性补偿电路从测量电路的输出取出一部分正反馈给测量电路输入端，且反馈电流随温度升高逐渐加大，从而校正铂电阻测温存在的非线性误差；构成的测量装置由偏置补偿电路、测量电路、非线性补偿电路、增益电路和基准电压电路构成；
偏置补偿电路由三个固定电阻R8＝1K、R9＝10K、R10＝1K和一个可调电位器WZ＝1K及一个运放U1组成的放大器构成，电位器WZ使0℃时增益电路输出为0mV，其中R8、R9、运放U1和电位器WZ依次串联，R9与运放U1的正输入端连接于节点D，运放U1的输出端与电位器WZ的一端连接于节点E，且运放U1的负输入端以及电位器WZ的滑动端均连接节点E，R10的一端与节点D相连接、另一端接地；R8一端连接R9，另一端连接基准电压UREF的正极；
测量电路由铂电阻PT和一个运放U2组成的放大器构成，基准电压UREF＝5V和固定电阻R4＝20K为铂电阻PT提供0.25mA的静态工作电流，其中R4的一端与运放U2的负输入端连接于节点A，R4的另一端与基准电压UREF的正极连接，基准电压UREF的负极接地，铂电阻PT一端连接节点A，另一端连接运放U2的输出端于节点B，且所述运放U2的正输入端接地；
非线性补偿电路由三个固定电阻R5＝10K、R6＝10K、R7＝24K和一个可调电位器WNL＝2K及一个运放U3组成的放大器构成，非线性补偿电路从测量电路的输出取出一部分反馈给运放U3输入端，从而校正铂电阻测温存在的非线性误差，可调电位器WNL用于调整非线性补偿量，其中R5、R6、R7和电位器WNL依次串联，且R5、R6的一端均与运放U3的负输入端连接，R6的另一端、R7的一端均与运放U3的输出端连接，R7的另一端与可调电位器WNL的一端连接，可调电位器WNL的另一端以及滑动端均连接节点A；运放U3的正输入端接地；R5的另一端连接节点B；
增益电路由三个固定电阻R11＝9.1K、R12＝10K、R13＝91K和一个可调电位器WG＝5K及一个运放U4组成的放大器构成，可调电位器WG用于调整增益，经过增益放大，输出U0为10mV/℃的模拟电压量，乘以100就是被测温度，其中R11、R13和电位器WG依次串联，R11的一端与可调电位器WZ的另一端连接，且R11的另一端与R13的一端连接于节点F，R13的另一端与电位器WG的一端连接，电位器WG的另一端为输出U0；运放U4的输出端与电位器WG的另一端连接，电位器WG的滑动端也与运放U4的输出端连接，且运放U4的负极输入端与节点F连接、正极输入端接地，R12的一端与所述运放U4的负极输入端连接，另一端与节点B连接；
基准电压电路由三个固定电阻R1＝4.7K、R2＝300K、R3＝3.9K、一个电容C1＝0.1μF和一个可调电位器WV5＝2K及一个ADI的高性能基准源AD584L构成，电位器WV5用于微调输出的基准电压UREF；
输出U0＝-[(R13+WG)/(R11+WZ)]×0.25V×{(-γ×a×T)+(1-γ)+(γ×b×T2)}，大括号内第一项是需要输出的线性部分；第二项起偏置补偿电路的作用，这一项近似为零；第三项是非线性补偿部分；a和b是温度系数，其中，a＝3.90802×10-3、b＝5.80195×10-7；γ＝[(R11+WZ)/R12]×[1-PT/(R7+WNL)]；调整电路中三个电位器WZ、WG和WNL，可以在很宽的温度范围内使后面两项之和基本为零；其中所述输出U0还包括如下建立步骤：
符合国际标准的所述铂电阻，用式(1)表达铂电阻值PT随温度的变化：
PT＝PT0[1+aT-bT2-cT3(T-100)](1)
式中T是以摄氏度为单位的被测温度；PT0是0℃时的铂电阻值；a＝3.90802×10-3、b＝5.80195×10-7和c是温度系数；
系数c只有在负温度时才起作用，式(1)变为式(2)：
PT＝PT0[1+aT-bT2](2)
式(2)中的第一项是直流偏置；第二项是铂电阻随温度的线性变化；第三项是非线性项，如果忽略的话将产生2％左右的测量误差；
且还包括电路调整步骤：准备3个假负载电阻1000Ω、1385Ω和2809Ω，分别对应0℃、100℃和500℃；
(1)接上1000Ω电阻，调节电位器WZ，使得输出约为0mV；
(2)接上2809Ω电阻，调节电位器WG，使得输出约为5000mV；
(3)接上1385Ω电阻，调节电位器WNL，使得输出约为1000mV；
(4)由于步骤(1)、(2)和(3)互相影响，重复若干次可达到优于±0.5℃的精度。
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