精度高铂电阻温度测量新方法

摘要:温度是工业生产重要测量参数,测量结果精度在很大程度上影响了产品生产质量,现在工业生产中对温度测量精度要求更为严格。想要提高铂电阻温度测量精度,就需要结合其所具有的特点,做好实施过程的分析,降低各项因素的影响,对铂电阻温度测量断方法进行了简要分析。
引言
　　铂电阻元件现在已经被广泛应用到工业测控系统中,与其他温度测量方法相比,具有更高的应用效果。对于铂电阻温度测量来说，常规是利用测量电阻桥不平衡电压来实现，对模数转换器精度要求比较高,同时所需测量成本也较大。为提高工业温度测量综合效率，在原有基础上进行精度高铂电阻温度测量新方法分析,对原有测量方法进行优化,解决存在的各类问题，达到降低测量成本的目的。
1铂电阻测量温度原理分析
　　铂电阻传感器应用到工业生产测量温度领域,主要就是利用金属铂电阻值受温度影响较大特点,将其制造成温度传感器,完成温度变化状态的测量。选择铂电阻为测温元件，可以得到铂电阻传感器电阻值。一般工业测温系统中所用铂电阻为PT1000(R0=1000Ω),对其温度特性进行分析,可得知当-200℃<t<0℃时,R(t)=R0[L1+At+Bt²+C(t-100)tm³];当0℃<t<850℃时,R(t)=Rd(1+At+B。其中,R(x)表示6℃时电阻值,R0表示0℃时电阻值,AB、C均标志时间常数。在应用铂电阻实际测温时，需要对铂电阻传感器自身精度进行分析，因为一般情况下，任意2个传感器实际电阻-温度特性并不完全相同,因此为提高测量结果精度,需要选择用温度校准方法对单个铂电阻传感器进行多点温度测量,掌握其唯一温度特性,避免传感器性能特点对测量结果的影响。
2精度高铂电阻测量温度实施策略
2.1实施要点
第一，温度是影响铂电阻阻值以及放大器精度的主要因素,一旦外界温度发生变化,势必会对系统测量结果精度产生影响。因此在开展精度高铂电阻温度测量方法时，必须要做好有效温度补偿方法的分析。第二，温度测量精度预告，高分辨率A/D转换器价格越大，因此也就使得测量成本增加，也是需要重点解决的问题之一。针对此类问题，可以通过RC振荡器,来将铂电阻变化量转换为频率信号，可以有效解决温度变化以及不平衡电阻桥产生的非线性问题。同时,对频率变化量进行测量,计算出铂电阻阻止变化量,得到被测温度结果值。这样可以将中间AD环节省略掉，不但可以提高测量精度,同时还可以有效控制测量成本。
2.2传感器信号调理
　　利用传感器测量的方法中，需要重点分析输出模拟信号的数字化转变，例如将铂电阻放入RC震荡电路中,将铂电阻组织变化调制成时变频率信号，如图1所示。振荡电路由传感器以及触发器组成,并可以将传感器看作为电阻，这样便可以通过触犯器设置适当阀值，最终将传感器阻值变化信号转换为频率信号。然后将转换后信号输人到计数器内,在预定循环周期内通过高速计数器解调频率信号，确保数字化为与震荡频率成比例的值，最后便可以通过成比例值计算得出温度值。
 
2.3推算测量结果
　　经过传感器信号调理后,需要完成温度解算。即利用测量得到的计数值,来计算信号变化频率值,其中频率与RC震荡电路时间一般呈现反比关系,即:F0=1/kRC。其中,F0表示所测信号变化频率值,R表示铂电阻阻值;C表示振荡器电容值,k表示时间比例系数回。如果公式中F0.C以及k为已知条件,便可以计算得出铂电阻当前阻值，进而可以通过阻值计算得出温度数值。
3精度高铂电阻温度测量系统设计分析
3.1设计方案
3.1.1设计原则
　　为提高温度值测量精度，系统上设计传感器采用四线制铂电阻温度传感器，对导线引线电阻进行消除。选知小恒流源为铂电阻供电，并控制供电时间，降低自热效应对测量结果的影响。同时，对于A/D采集、参考电阻与运放等元器件,应选择用精度高、低温漂类型,降低器件产生的测量误差。另外，为降低计算复杂度，应尽量选择用先进测量算法设计硬件的电路,提高噪声抵消效果。
3.1.2设计算法
　　在对温控系统前端进行设计时，可以采取图2†方式,其中虚线部位表示铂电阻,Rt1、Rt2、Rt3、Rt4表示铂电阻线阻,Rt表示待测铂电阻,R1、R2、R3表示标准参考电阻,Rt,表示偏置电阻印。另外,1表示恒远流,K1-K10表示模拟开关。
 
　　此系统运行主要通过控制模拟开关通断来实现,可以实现进入运放与A/D转换元件不同电压信号的切换,完成电压信号的测量,并确定电阻Rt数值。假设运放放大倍数为p,A/D芯片采集时参考电压为V,满量程读数为VAADrangu,则算法为:
　　在进行温度测量时，不同电流开关切换时间以及A/D转换时间较短,因此可以保证上述4次测量方法的实施温度不发生变化，同时也可以忽略铂电阻自热影响。因此,运放放大倍数p与A/D芯片采集时便可以人为参考电压V相等。则可以得到:.
Rt=(a-b-c/c-d)(R1-R2)
　　由此可见,Rt阻值的大小受A/D测量值，以及R1、R2阻止决定，与恒流源、A/D参考电压以及运放放大倍数等参数无关。因此想要提高温度测量结果的精度，便可以通过应用高分频率A/D芯片,以及精度高、低温漂电阻来实现。
3.2系统设计
3.2.1条件确定
1)器件选择。选择用精度高与高稳定性Pt1000薄膜铂电阻传感器,其0℃环境下误差为±0.06Ω。恒流源运放、模拟开关以及A/D转换器选择用集成芯片ADS1248,可以有效简化电路设计,减小了传统采集电路中器件间导线连接与外围干扰，提高测量值的精度'。
2)参考电阻选择。设计系统测温环境温度范围在-30~+80℃，对应铂电阻阻值范围882.21~1308.96Ω。其中,基于线路电阻因素分析,Rt+Rt4组织范围应控制在880~1320Ω间,并且为保证经过放大后信号可以与A/D输入范围相同，来保证检测分辨率精度，对于R3阻值应确定为883~1320Ω范围内。
3.2.2硬件系统
　　ADS1248芯片外围电路设计中，铂电阻需要与四线制相连接,并设置足够多恒流源输出端口,且保证其可以软件配置输出到任何端口。片内缓冲器输入阻抗可以达到5000MΩ,基本上可以将测试线_上电流看作为0,进而能够有效避免信号线附加电阻对测量结果精度的影响。另外，在选择单片机时,应以实际需求为基础,确保可以完成ADS1248芯片寄存器读写、状态控制、测量数据读取等行为,最终将测量结果显示出来。
3.2.3软件系统
　　软件系统设计主要包括单片机程序与上位机监测程序两部分，任何一部分的设计均需要确保其能够满足系统运行实际需求。第一,单片机程序。可以选择用Keil开发环境以及C52编程语言设计,分为端口初始化、A/D转换与算法、寄存器控制以及SPI数据读取等模块间。在实际测温作业中,利用控制开关来完成恒流源与相应电阻通路接通时，需要最大程度上来缩短整个操作时间，达到消除自热效应影响的目的。并且,要保证控制器每秒完成一次温度数据采集作业,并将采集数据通过串口输送给上位机。第二，上位机程序。可以基于LabWindowsCVI9.0开发软件界面,来实现实施温度数据的显示。
4结语
　　铂电阻作为工业生产中理想的测温元件，在实际应用中可以充分发挥其所具有的精度高、高灵敏度特点，但是测量结果更大程度上会受模数转换器精度影响,需要选择应用性能良好的模数转换器,进而会使得成本较高。因此,需要在现有基础上,对精度高铂电阻温度测量方法进行研究，结合其测温作业要求,确定优化要点,设计性能优良的硬件与软件系统,开发出一种新的精度高低成本铂电阻测温方法,确保测温结果精度满足工业生产要求。