铂电阻高精度温度测量系统设计

发布时间:2021-06-29     浏览次数:
摘要:为了满足工业生产对温度测量的高精度要求,研制了种恒流源微电流驱动四线制铂电阻P100的高精度温度测量系统。分析了引起系统测量误差的原因,给出了减少误差的方法;阐述r恒流源、仪川放大、抗混叠滤波、采样保持、A/D采样等主要电路的设计原理和参数选择准则;说明了测鼂系统的标定方法。该系统采用四线制铂电阻Pt100作为温度传感器,由恒流源微电流驱动产生电压,可以完全去除铂电阻自身的引线电阻、有效减少自热效应;通过仪用放大电路、抗混叠滤波电路和采集保持电路可以有效滤除采集信号中的干扰信号,降低外界干扰对测最系统的影响,增强测量系统稳定性、可靠性和准确性。测试结果表明,该系统性能稳定可靠,标定后测量误差小于±0.03℃。
0引言
  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。
  以铂电阻为测温元件的高精度温度测量方案,解决了铂电阻温度测量对硬件电路的-些基本要求,但是测量精度不佳;方益喜等[3]设计了恒流源驱动三线制铂电阻的高精度温度测量系统,较好地提供了测量误差和温度漂移的校准方法,但是没有很好地解决引线电阻对温度测量的影响;汪国定等[4]提出了恒流源驱动四线制铂电阻测量方法,有效解决了铂电阻的引线电阻和自热效应,但是没有详细分析实际应用过程中外界干扰对系统测量的影响,也未给出相应的抑制措施。
  本研究采用微电流驱动四线铂电阻Pt100的测温方案,可以完全去除引线电阻引起的误差,有效减少自热效应,通过使用软、硬件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。
1铂电阻高精度温度测量系统
  铂电阻Pt100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6],现在常用的Pt100(R。=100Ω)是以温度系数TCR=0.003851为标准统一设计的铂电阻。它的温度电阻特性是:
 
  根据Pt100的温度特性,本研究设计的四线制铂电阻Pt100高精度测温系统如图1所示。系统主要由恒流源驱动电路、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采样电路构成。系统正常测温时,恒定电流通过Pt100产生相应的电压信号,先进人仪用放大电路,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,然后输人高精度A/D转换器。A/D转换后的数字信号进人单片机系统进行数字滤波,最终通过公式计算得出真实温度。
四线制铂电阻高精度测温系统结构图 
2电路设计与参数选择
2.1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。根据元器件发热公式(P=I²×R)可知,铂电阻上流过的电流I不宜过大,影响系统测量精度。
  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。Vr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/C,实际输出为2.485V。Rref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。
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、输出电流大小极性可改变等特点。电流大小Iout可以通过Rref和Vref调节,计算公式如下:
 
2.2四线制铂电阻接口电路
  在铂电阻高精度温度测量系统中,引线电阻--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。
假设两线制Pt100引线采用长度为1m,直径为1mm的铜线,铜线的电阻率约为0.0201,则四线制Pt100的引线电阻阻值约为:2x1mX0.0201/(3.1415x:0.5²)=0.0512Ω。
铂电阻传感器Pt100按照升降率0.3851Ω/C变化,由此产生的引线误差为0.0512Ω/0.3851(Ω/℃)=0.1329℃,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、R2两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、R4两条电压驱动引线将铂电阻的电压信号连接到仪用放大电路。由此本研究将驱动Pt100的恒流源与温度检测电路分开,保证即使R1和R2两条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。
铂电阻四线制接口电路图示 
2.3仪用放大电路
  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。
  仪用放大电路设计如图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的输人。电压增益由电阻调节,其中R11=R12,R13=R14。该仪用放大器具有增益可调节、高输人阻抗、低输出阻抗、高共模抑制比等特点。
 
  该仪用放大电路电压增益A.计算公式如下:
 
2.4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。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8。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C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9。虛线部分(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C与C2会形成一个充放电回路,在采样时间很短的情况下,C,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C的容值。假设使用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。
 
2.5AD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。本研究选用24位高分辨率A/D转换器CS5550,电压增益10倍、50倍可选,增益后电压输人范围-2.5V~+2.5V,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。单片机通过SPI总线和CS5550连接。
2.6电路参数选择
  系统实际测量过程中必须综合考虑温度测量范围、恒流源的大小、仪表放大电路的放大增益、抗混叠滤波电路的截止频率以及A/D转换器的放大增益,选择合适的电路参数。
  设实际温度为T,测量电压为V。当实测温度T=0~100℃时,铂电阻传感器Pt100的电阻值范围是100Ω~138.51Ω。本研究选择Rref电阻为10kΩ,根据公式(5)得出输出恒定电流为248.5μA,Pt100输出的电压值范围Vout为25mV~34.627mV。选用仪用放大器的电阻R9=R10=R11:=R13=22kΩ,Rg断开即电阻趋于无穷大根据式(3)计算输出增益A.为1。抗混叠滤波电路选用电阻R15=100Ω,电容C1=47μF,C2=2pF。保证C1/G2大于224,截止频率1/(2πxR15,xC1)小于30Hz,滤除高频信号,通过低频信号。设置AD转换器电压增益为50,使其输人电压在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。
  根据上述参数设置和公式(4)可以得出实际温度T和测量电压为Vout的理论关系为:
T=(Vout/Iout-100)/0.3851=10.449×Vout-259.673
3系统标定和误差分析
  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。系统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。
  本研究采用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10C~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,本研究对每组温度进行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(7)计算得出,实际温度由高精度温度计测量得出。标定前测量数据如表1所示。
 
  由表1可知,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=10.445xVout-259.923(8)
  根据线性拟合公式(8)再次测量恒温槽的温度,测量数据如表2所示。
 
  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℃。通过表1和表2测量误差数据对比分析可知,系统通过温度标定之后测量误差有了明显降低。
4结束语
  本研究设计了一种高精度温度测量系统:由恒流源微电流驱动四线制铂电阻Pt100,产生的电压信号先经过仪用放大电路进行放大,然后通过抗混叠滤波电路和采样保持电路滤波,进人高精度A/D转换器进行信号采集,最后单片机根据特定公式计算出真实的温度值。该系统能够有效克服铂电阻自身的引线电阻,减小自热效应,降低外界干扰对测量系统的影响。
  通过恒温槽测温实验和误差分析可知,该测温系统达到了测量精度高、误差小的设计要求,具有良好的可靠性、稳定性和实用性,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。
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