基于铂热电阻高温检测系统设计与优化

摘要:为了实现基于金属铂材料制作的热电阻温度传感器在高温测量环境下实现对温度数据的精度高测量提出一种基于优化电路参数及阻温方程参数的温度检测系统设计方案。设计利用恒压源电路获得稳定的理想电压通过不平衡电桥差分放大电路和二阶有源滤波电路得到理想采集信号;设计优化了电路参数校正了铂热电阻因高温产生的非线性。通过熔融沉积成型(FDM)3D打印喷头实验平台验证了设计方案的有效性实现了在高温测量环境下对温度数据精度高测量的目的。
0.引言
       铂热电阻温度传感器被视为理想的测温元件,因其测量范围大测量精度高性能稳定性好抗振性能强机械强度高耐高温耐压性能好等优点被广泛使用于各种实际测量环境下。然而在高温环境下外界待测温度会对测量电路和温度传感器造成一定程度的影响严重制约了温度检测系统的精度为了提高基于铂热电阻测温系统的检测精度提出了一种基于优化电路参数及阻温方程参数的温度检测系统设计基本实现了对待测温度测量区间的参数优化设计并通过FDM型3D打印喷头实验平台验证了本设计方法的有效性有效提高了温度测量的正确性。
1检测系统电路设计
       Pt100型铂热电阻测温原理是金属铂的电阻阻值会随温度的增加而增加'21。传统的温度测量方法便是利用铂热电阻的这种特性测量在恒定电路中的铂热电阻两端电压反推其电阻阻值最后根据铂热电阻的阻温特性函数关系得到测量环境的温度值。
       常用弓|线接法有两线制、三线制和四线制。其中两线制接法为简单但因为引入了不可控的引线电阻,因此会对测量精度产生较大的影响-般只使用在对测量精度要求不高的简单测试中;有人提出了恒流源驱动四线制铂热电阻测量方法四线制接法将电源线与信号线分离开来可以较好避免引线电阻弓|起的测量误差,但在获得精度高测量结果的同时也会显著增加设备成本和设计复杂度;三线制接法有效兼顾了测量精度和成本之间的关系被广泛应.用在工业测量领域。
      通过研究对比各种测量方法的优缺点设计了一种基于恒压源控制的三线制惠斯登差分放大测量电路并通过优化电路参数使得电压变化范围最大化后利用压控二阶低通滤波器有效抑制了电路噪声对采样信号的影响得到了正确性较高的电压值，从而可以更加正确的计算出铂热电阻的阻值变化。

1.1恒压源驱动电路
       恒压源电路为惠斯登桥差分放大电路提供电压其电压的稳定性对参考电压与测量点电压的精度有着直接影响。因此输出电压的稳定性是恒压源电路设计的重要标准。
电阻型温度传感器的自热效应是对测量精度影响的另-重要因素使用电阻型温度传感器时其自热效应必须注意['1。针对所采用的P100型热电阻而言，必须保证其耗散功率不超过0.1mW[4]所以设计恒压源输出电压为0.3V输入电压采用低功率、低飘移的REF3030芯片产生的基准电压。恒压源电路如图2所示。

1.2惠斯登桥差分放大电路
       通过三线制接法将铂热电阻接入到惠斯登桥电路(如图3)中并测量两桥臂的电压差进而通过计算得出铂热电阻的变化值,由于两桥臂都有引|线电阻值所以引线电阻值所产生的误差相互抵消不会对压差产生影响。

       放大电路部分选取仪表放大器AD623其电路结构简单、稳定且共模抑制较大性能优越。
1.3二阶压控滤波电路
       电路数据采集过程中,不可避免地会混入干扰信号。常见的电路干扰信号有频率在50Hz或60Hz的工频噪声以及其他高频设备产生的噪声等[5]。
一阶低通滤波器的幅频特性下降速率为-20dB/十倍频不能很好地将电路中的噪声频率滤除为了提高滤波效率采用二阶有源滤波电路使得噪声的衰减率可以达到-40dB/十倍频并且在有效抑制电路噪声的同时避免了因为滤波电路电阻消耗产生的放大倍数降低。
2检测系统参数优化
2.1电路参数优化
       为了提高获取信号的信噪比需要通过配置不同的电桥电阻使得电压输出变化范围最大化从而进一步得到更加正确温度变化测量结果。
惠斯登桥输出的电压满足式(2)设待测温度区间为[T1T2]则根据铂热电阻阻温特性方程可以得到的其阻值单调变化区间为[RtrRt2,,]则


式中Ro=100ΩA=3.9083×10^-3,B=-5.775×10^-7,C=-4.27350×10¹²,为工业铂电阻的特征参数。
       由阻温特征曲线知随着外界温度的升高铂热电阻的非线性越来越严重”使得高温环境直接计算会对处理器产生较大的计算量在严重制约测量系统的实时性的同时,普通嵌入式处理器对多位浮点数的计算精度也会严重影响温度的真实值。因此有必要对其特征参数进行适当的校正和线性化处理以提高器测量的精度。
      设待测温度区间为[T1,T2]将其边界温度T1和T2(均大于零)分别与此时测量所得的铂热电阻阻值R:和Ru代入到式(6)中得到

3实验验证
3.1实验步骤
根据上述电路优化原理可以得到对Pt100型铂热电阻测温系统的优化方法其步骤如下:
1)根据初始特征参数函数关系确定在待测温度区间[T1;T2]的边界阻值RT1,和RT2;.
2)根据电路优化方程计算惠登通电桥分压电阻值R和仪表差分放大电路反馈电阻值Rc的优化结果;
3)利用加热控制系统使得温度传感器所测得的真实边界温度达到T1和T2,并利用提出温度检测系统对加热系统进行测量得到Tʹ1和Tʹ2;
4)判断是否T1-△T<Tʹ1<T1+ΔT和T2-ΔT<Tʹ2<T2+△T同时成立其中△T为允许误差如果是则结束进行步骤(6)否则进行步骤(5);
5)反向求取Tʹ1;和Tʹ2所对应的铂热电阻阻值Rd和Ru,并与边界温度T1和T2代入标准阻温函数关系式中修正得到特定温度区间内的特征参数Ã和B̃并返回步骤(1);
6)利用端基线线性集合求得在待测温度区间[T1;T2]内线性优化方程(式(9))。
3.2实验结果
       为了验证所提出优化方法的有效性,以STM32F103ZET6处理器[7]为核心设计了温度检测电路并利用精度高热电偶温度采集仪和加热可控的FDM型3D打印喷头加热平台对提出的温度检测系统进行了温度测量验证设定目标温度区间390~410℃以验证本测温系统在高温环境下的实际使用情况。优化结果如表1所示。

       当目标温度区间设定为390~410C时因为高温对测量系统的影响.直接测量会产生较大的误差需要对特征函数参数进行优化得到如表2测量数据。

4结论
       通过实验表明,所提出的温度检测系统即使在高温测量区间内也可以有效的减少电路干扰信号对测量结果的影响得到较为正确的测量结果测量误差在±0.5℃内基本达到了设计要求。