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基于PT1000的高精度溫度測量系統(tǒng)
精密化學(xué)、生物醫(yī)藥、精細化工、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量測。采用鉑電阻量測溫度是一種有效的高精度溫度量測方法,但具有以下難點: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量測的關(guān)鍵點。對于自熱效應(yīng),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。
1 高精度量測方案及原理
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量測的關(guān)鍵是要能準確地量測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(shè)計的鉑電阻。其溫度電阻特性是:
本溫度量測系統(tǒng)采用三線制恒流源驅(qū)動法驅(qū)動鉑電阻傳感器。三線制恒流源驅(qū)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),直接量測傳感器的電阻變化量。圖l為三線制恒流源驅(qū)動法高精度量測方案,參考電阻與傳感器串聯(lián)連接,用恒流源驅(qū)動,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)換器直接量測,并采用2次電壓量測— 交換 驅(qū)動電流方向,在每個電流方向上各量測一次。其特點是直接量測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。利用單片機系統(tǒng)控制兩次量測電壓可以避免接線勢壘電壓及放大器、A/D轉(zhuǎn)換器的失調(diào)與漂移產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差,還可以校準鉑電阻傳感器精度。恒流源與A/D轉(zhuǎn)換器共用參考基準,這樣根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換器的計量比率變換原理,可以消除參考基準不穩(wěn)定產(chǎn)生的誤差,不過對恒流源要求較高,電路結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。為了進一步克服噪聲和隨機誤差對量測精度和穩(wěn)定度的影響,*后在上位機中采用MLS數(shù)值算法實現(xiàn)噪聲抵消,大大提高了溫度量測精度和穩(wěn)定度。
2 系統(tǒng)電路設(shè)計
2.1 三線制恒流源驅(qū)動電路
恒流源驅(qū)動電路負責驅(qū)動溫度傳感器Pt1000,將其感知的隨溫度變化的電阻信號轉(zhuǎn)換成可量測的電壓信號。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(yīng)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(yīng)管參數(shù)影響顯著,由集成運放構(gòu)成的恒流源具有穩(wěn)定性更好、恒流性能更高的優(yōu)點。尤其在負載一端需要接地的場合,獲得了廣泛應(yīng)用。所以采用圖2所示的雙運放恒流源。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)、高開環(huán)增益雙極性運算放大器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?yún)⒖蓟鶞蔞REF或調(diào)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(qū)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(diào)理電路
信號調(diào)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*接近的。
2.3 A/D轉(zhuǎn)換電路
A/D轉(zhuǎn)換電 路由 一個集成A/D轉(zhuǎn)換器AD7712完成,同時將利用其內(nèi)部的PGA完成儀表放大器的差分放大功能。AD7712是適合低頻量測的高精度A/D轉(zhuǎn)換器。片內(nèi)含有2個輸入通道AIN1和AIN2,能將模擬信號轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)輸出。利用AD7712實現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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。
量測結(jié)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(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換輸出的誤差。為了達到要求的量測精度,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(jié)果
3.1 量測系統(tǒng)定標
首先用高精度電阻箱(誤差5 ppm)代替Pt1000對量測系統(tǒng)進行定標。根據(jù)式2所示的實測Pt1000電阻/溫度關(guān)系標定數(shù)據(jù),通過改變電阻箱的取值來設(shè)定相對應(yīng)的 測試 溫度點標稱值,經(jīng)過量測系統(tǒng)、A/D采樣和上位機程序計算,得到量測溫度顯示值。根據(jù)初測數(shù)據(jù)對量測電路、補償電壓進行校準后,得到量測系統(tǒng)定標數(shù)據(jù)如表1所示。
從表l量測數(shù)據(jù)可見,量測系統(tǒng)引入的*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,整個溫度量測系統(tǒng)就可以滿足高精度的量測要求。
3.2 恒溫箱實測
將鉑電阻傳感器Pt1000接入量測系統(tǒng),并置入高精度恒溫箱中(溫控精度0.01℃)進行整個溫度量測系統(tǒng)定標量測。量測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次量測。量測溫度值數(shù)據(jù)及處理結(jié)果如表2所示。由于設(shè)備條件所限,量測溫度范圍只有(10~70℃)。
表2中,隨機誤差是根據(jù)同一溫度點的20次量測數(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(shè)定溫度與本溫度量測系統(tǒng)量測溫度平均值的差值。由表2中數(shù)據(jù)可見,量測系統(tǒng)的*大隨機誤差為0.005℃,且在接近室溫時*?。涣繙y系統(tǒng)的*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,能滿足高精度溫度量測系統(tǒng)的量測要求,但溫度**誤差較大,可能與恒溫箱溫度控制精度有關(guān),有待于進一步定標。
4 結(jié)論
利用三線制恒流源驅(qū)動Pt1000鉑電阻,有效克服了導(dǎo)線電阻和自熱效應(yīng)對量測精度的影響;利用單片機計算雙極性驅(qū)動電流下的兩次量測電壓可有效避免接線勢壘電壓及放大器、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,有效消除了參考基準不穩(wěn)定產(chǎn)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量測精度和穩(wěn)定度的影響,大大提高了溫度量測精度和穩(wěn)定度,使得整機*大的量測誤差不大于0.01℃。
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