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一種高精度的鉑電阻溫度測量方法和裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種高精度的鉑電阻溫度測量方法和裝置，采用微電流驅(qū)動四線制Pt100鉑電阻的測溫方案，測量裝置由恒流源驅(qū)動電路、四線制鉑電阻接口電路、儀用放大電路、抗混疊濾波電路、采樣保持電路以及A/D采樣電路、單片機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成。恒流源由二個低噪聲、低失調(diào)、高開環(huán)增益的雙極性運(yùn)算放大器OP07CD組成；四線制接口電路分為恒流源動力引線和電壓驅(qū)動引線兩部分；儀用放大電路由二級差分放大電路組成；抗混疊濾波電路為RC低通濾波電路；A/D轉(zhuǎn)換器為24位高分辨率A/D轉(zhuǎn)換器CS5550。本發(fā)明測量精度高，標(biāo)定后溫度測量誤差小于±0.03℃，可以滿足工業(yè)生產(chǎn)過程中對溫度測量的高精度要求。
【專利說明】一種高精度的鉑電阻溫度測量方法和裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及工業(yè)生產(chǎn)過程檢測領(lǐng)域，特別是涉及一種高精度的PtlOO鉬電阻溫度測量方法和裝置。

【背景技術(shù)】
[0002]溫度是工業(yè)生產(chǎn)過程中非常重要的測量參數(shù)，溫度測量和控制的準(zhǔn)確性直接影響產(chǎn)品生產(chǎn)和產(chǎn)品質(zhì)量。隨著測量技術(shù)的發(fā)展，對溫度測量精度的要求也越來越高，譬如，化工行業(yè)聯(lián)合制堿中要求溫差控制在0.2°C，在色譜儀的工作范圍內(nèi)要求溫度測量優(yōu)于0.05°C。鉬電阻溫度傳感器因具有精度高、線性度好、響應(yīng)速度快等諸多優(yōu)點(diǎn)，被作為工業(yè)精密測量系統(tǒng)中廣泛使用的理想測溫元件。采用鉬電阻進(jìn)行高精度溫度測量需要克服幾個技術(shù)難點(diǎn):引線電阻、自熱效應(yīng)、元器件漂移以及噪聲干擾等，現(xiàn)有的測量裝置還不能同時解決上述問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為了解決上述問題，本發(fā)明提供了一種高精度的鉬電阻溫度測量方法和裝置。
[0004]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:
[0005]采用微電流驅(qū)動四線制PtlOO鉬電阻的測溫方法。
[0006]測量裝置由恒流源驅(qū)動電路、四線制鉬電阻接口電路、儀用放大電路、抗混疊濾波電路、采樣保持電路以及A/D采樣電路、單片機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成。
[0007](I)恒流源電路
[0008]恒流源是鉬電阻測溫電路中的關(guān)鍵模塊，其功能是將鉬電阻溫度傳感器感知的隨溫度變化的電阻信號轉(zhuǎn)換成可測量的電壓信號。恒流源由二個低噪聲、低失調(diào)、高開環(huán)增益的雙極性運(yùn)算放大器0P07⑶組成，恒流源參考電壓由超低噪聲的LD0XFET基準(zhǔn)電壓源A/DR441B提供穩(wěn)定電壓，所有電阻均選用精度0.1 %的精密電阻
[0009](2)四線制鉬電阻接口電路
[0010]為消除鉬電阻引線電阻對測量精度造成的影響，PtlOO鉬電阻采用四線制接法。四線制接口電路分為恒流源動力引線和電壓驅(qū)動引線兩部分，將驅(qū)動PtlOO的恒流源與溫度檢測電路分開，保證即使引線電阻出現(xiàn)變化產(chǎn)生壓降也不會影響溫度測量的準(zhǔn)確性。
[0011](3)儀用放大電路
[0012]恒流源電流流過四線制鉬電阻產(chǎn)生的差分信號通過儀用放大電路輸出一個單端對地的信號，能夠有效減少系統(tǒng)中共模干擾對其影響。儀用放大電路由二個運(yùn)算放大器按同相輸入接法組成第一級差分放大電路，第三運(yùn)算放大器組成第二級差分放大電路，該儀用放大器具有增益可調(diào)節(jié)、高輸入阻抗、低輸出阻抗、高共模抑制比特點(diǎn)。
[0013](4)抗混疊濾波與采樣保持電路
[0014]在測溫系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集過程中，不可避免地會混入干擾信號。為了最大程度地抑制混淆現(xiàn)象，采用抗混疊濾波和采樣保持電路將混疊信號進(jìn)行衰減和濾除。抗混疊濾波電路為RC低通濾波電路，采樣保持電路在采樣階段與低通濾波電路直接相連。
[0015](5)A/D 轉(zhuǎn)換器
[0016]A/D轉(zhuǎn)換器是數(shù)據(jù)采集器的核心器件，決定了系統(tǒng)的測量精度。選用24位高分辨率A/D轉(zhuǎn)換器CS5550，自帶數(shù)字濾波器，通過配置寄存器的轉(zhuǎn)換次數(shù)進(jìn)行均值濾波。
[0017](6)單片機(jī)系統(tǒng)
[0018]單片機(jī)通過SPI總線和A/D轉(zhuǎn)換器CS5550連接。
[0019]工作過程是:恒定電流通過PtlOO產(chǎn)生相應(yīng)的電壓信號，先進(jìn)入儀用放大電路，去除共模干擾并進(jìn)行適當(dāng)放大，再通過抗混疊濾波電路和采樣保持電路去除高頻諧波，然后輸入高精度A/D轉(zhuǎn)換器。A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號進(jìn)入單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字濾波，最終通過得出真實(shí)溫度。
[0020]本發(fā)明的有益技術(shù)效果是:采用微電流驅(qū)動四線制PtlOO鉬電阻的測溫方法，可以完全去除引線電阻引起的誤差，有效減少自熱效應(yīng)，通過使用抗干擾濾波技術(shù)降低噪聲、抑制干擾、減少系統(tǒng)誤差，提高系統(tǒng)的測量精度和穩(wěn)定性。標(biāo)定后溫度測量誤差小于±0.03°C，可以滿足工業(yè)生產(chǎn)過程中對溫度測量的高精度要求。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1是四線制鉬電阻PtlOO高精度測溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
[0022]圖2是恒流源驅(qū)動電路圖。
[0023]圖3是鉬電阻PtlOO四線制接口電路。
[0024]圖4是儀用放大電路。
[0025]圖5是抗混疊濾波和采樣保持電路。

【具體實(shí)施方式】
[0026]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】做進(jìn)一步說明。
[0027]PtlOO鉬電阻是利用金屬鉬(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，用PtlOO作為測溫元件進(jìn)行溫度測量的關(guān)鍵是要準(zhǔn)確測量出PtlOO的電阻值。按照IEC751國際標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)在常用的Ptl00(Ro = 100 Ω)是以溫度系數(shù)TCR = 0.003851為標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一設(shè)計的鉬電阻。它的溫度電阻特性非線性度小，實(shí)際計算一般采用線性化處理，溫度計算公式如下:t = (Rt-1OO)/0.3851。
[0028]根據(jù)PtlOO鉬電阻的溫度特性，的四線制PtlOO鉬電阻高精度測溫系統(tǒng)如圖1所
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[0029]恒流源是鉬電阻測溫電路中的關(guān)鍵模塊，其功能是將鉬電阻溫度傳感器感知的隨溫度變化的電阻信號轉(zhuǎn)換成可測量的電壓信號。恒流源電路如圖2所示，其中，運(yùn)算放大器Ul構(gòu)成加法器，U2構(gòu)成電壓跟隨器。U1、U2選用低噪聲、低失調(diào)、高開環(huán)增益的雙極性運(yùn)算放大器0P07CD。V,ef為恒流源參考電壓，由超低噪聲LD0XFET基準(zhǔn)電壓源A/DR441B提供穩(wěn)定電壓，溫度系數(shù)為3ppm/°C，實(shí)際輸出為2.485V。Rref = 1kQ為參考電阻，R5、R6、R7、R8為分壓電阻，均選用精度0.1 %的精密電阻且R5 = R6 = R7 = R8 = 1kQ。該恒流源電路具有輸出電流恒定、輸出阻抗大、溫度穩(wěn)定性好、負(fù)載一端可接地特點(diǎn)，輸出電流lout = Vref/Rref = 248.5 μ A0
[0030]在鉬電阻高精度溫度測量系統(tǒng)中，引線電阻一定不能忽略。常規(guī)的二線制、三線制鉬電阻測溫方法是忽略其引線電阻或者近似認(rèn)為引線電阻值相等，這兩種方法的測量值和真實(shí)值存在一定的偏差，且引線越長，誤差越大。為消除鉬電阻引線電阻對測量精度造成的影響，PtlOO鉬電阻采用四線制接法。四線制接口電路如圖3所示，分為恒流源動力引線和電壓驅(qū)動引線兩部分。其中，Rp R2 二條引線屬于恒流源動力引線，將鉬電阻傳感器連接到恒流源；R3、R4 二條引線屬于電壓驅(qū)動引線，將PtlOO鉬電阻的電壓信號連接到儀用放大電路。將驅(qū)動PtlOO鉬電阻的恒流源與溫度檢測電路分開，保證即使R1和R2 二條引線電阻出現(xiàn)變化產(chǎn)生壓降也不會影響溫度測量。R1、R2、R3、R4為引線電阻。
[0031]共模干擾是采集系統(tǒng)中常見的一種干擾，主要由外界功率器件感應(yīng)耦合、輻射耦合以及電路不平衡性產(chǎn)生。恒流源通過四線制鉬電阻產(chǎn)生的差分信號通過儀用放大電路輸出一個單端對地的信號，能夠有效減少系統(tǒng)中共模干擾對其影響。儀用放大電路如圖4所示。由運(yùn)算放大器U3、U4按同相輸入接法組成第一級差分放大電路，運(yùn)算放大器U5組成第二級差分放大電路，將U3、U4的輸出作為U5的輸入。電壓增益由電阻調(diào)節(jié)，其中R9 = R11 =R12 = 22kΩ，R1(I = R13 = R14 = 22kQ。該儀用放大器具有增益可調(diào)節(jié)、高輸入阻抗、低輸出阻抗、高共模抑制比特點(diǎn)。Rg斷開即電阻趨于無窮大，該儀用放大電路電壓增益Av = Vout/(V1-V2) = R13/RnX (1+(R9+R10)/Rg) = I。
[0032]在測溫系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集過程中，不可避免地會混入干擾信號。常見的干擾信號有電力線頻率在50Hz或60Hz的工頻噪聲以及其他高頻設(shè)備產(chǎn)生的噪聲等。當(dāng)這些信號的頻率超過奈奎斯特采樣定理所規(guī)定的范圍時，就會采集到一些混疊信號并對有用信號造成干擾，即頻率混疊。這種頻率混疊信號即使后續(xù)電路中有數(shù)字濾波也不能完全消除干擾，為了最大程度地抑制混淆現(xiàn)象，需要采用抗混疊濾波和采樣保持電路將混疊信號進(jìn)行衰減和濾除。
[0033]抗混疊濾波電路設(shè)計如圖5所示。虛線部分⑴是由電阻R15和電容C1組成的RC低通濾波電路,能夠?yàn)V除高頻信號中大于低通濾波電路截止頻率1/2 31 RC的干擾信號。虛線部分(2)為采樣保持電路，能夠減小孔徑誤差充分發(fā)揮A/D轉(zhuǎn)換器的性能，同時濾除高頻諧波。在這個電路中，采樣保持電路在采樣階段與低通濾波電路直接相連，電容C1與C2會形成一個充放電回路，在采樣時間很短的情況下,C1和C2上的電壓都達(dá)不到穩(wěn)定，增加系統(tǒng)干擾，影響采集精度，因此必須增大電容C1的容值。使用24位A/D轉(zhuǎn)換器，當(dāng)Cl/C2>224時，就可以大幅度減小由電容充、放電帶來的干擾。抗混疊濾波電路選用電阻R15 = 100Ω，電容 Cl = 47yF，C2 = 2pF。保證 C1/C2 大于 224，截止頻率 I/(2 Ji XR15XC1)小于 30Hz，濾除高頻信號，通過低頻信號。
[0034]A/D轉(zhuǎn)換器是數(shù)據(jù)采集器的核心器件，決定了系統(tǒng)的測量精度。選用24位高分辨率A/D轉(zhuǎn)換器CS5550，電壓增益選50倍，使其輸入電壓在1.250V?1.731V之間，維持在其滿量程的1/2?2/3，充分發(fā)揮A/D轉(zhuǎn)換性能。最高轉(zhuǎn)換速度為4000sps，自帶數(shù)字濾波器，通過配置寄存器的轉(zhuǎn)換次數(shù)進(jìn)行均值濾波，24bit雙極性輸出，最高位表示符號位。
[0035]根據(jù)上述參數(shù)設(shè)置可以得出實(shí)際溫度T和測量電壓為Vout的理論關(guān)系為:
[0036]T = (Vout/1ut-100)/0.3851 = 10.449XV0Ut-259.673(I)
[0037]由于鉬電阻PtlOO的自身精度以及電路中元器件的漂移，根據(jù)理論公式計算得出的溫度會和真實(shí)溫度會存在一定偏差。選用不同鉬電阻進(jìn)行測溫時，必須先進(jìn)行溫度標(biāo)定，求得電壓和溫度的實(shí)際對應(yīng)關(guān)系。
[0038]采用RTS-35A制冷恒溫槽與精度0.01°C高精密溫度計進(jìn)行溫度標(biāo)定，該恒溫槽穩(wěn)定后溫度波動度為±0.0l0C /30min。在10°C?80°C范圍內(nèi)，鉬電阻測溫系統(tǒng)每隔10°C進(jìn)行一次溫度測量。測量時A/D采樣速率選用500sps，待恒溫槽溫度穩(wěn)定后，對每組溫度進(jìn)行10s的采集，進(jìn)而對所求的50000個測量電壓求平均，測量溫度由理論公式(I)計算得出，實(shí)際溫度由高精度溫度計測量得出。
[0039]標(biāo)定前測量溫度和實(shí)際溫度誤差超過0.3°C，說明根據(jù)理論公式計算的溫度和實(shí)際真實(shí)溫度存在較大誤差，必須進(jìn)行溫度標(biāo)定。根據(jù)這8組不同溫度下恒溫槽的實(shí)際溫度和系統(tǒng)實(shí)際測得電壓值采用最小二乘法進(jìn)行線性擬合，得出實(shí)際溫度T和實(shí)際測量電壓_,的實(shí)際關(guān)系為:
[0040]T = 10.445XVout-259.923(2)
[0041]根據(jù)線性擬合公式(2)再次測量恒溫槽的溫度，通過測量結(jié)果分析，系統(tǒng)根據(jù)擬合公式測得的溫度和實(shí)際溫度的誤差不超過±0.03°C。
[0042]以上是本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非對本發(fā)明作任何形式上的限制，凡是依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對以上實(shí)施例所做的任何簡單修改、等同變化與修飾，均屬于發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種高精度的鉬電阻溫度測量方法和裝置，其特征在于，采用微電流驅(qū)動四線制Pt10鉬電阻的測溫方法，測量裝置由恒流源驅(qū)動電路、四線制鉬電阻接口電路、儀用放大電路、抗混疊濾波電路、采樣保持電路以及A/D采樣電路、單片機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成。
【文檔編號】G01K7/18GK104236742SQ201410504859
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年9月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月26日
【發(fā)明者】潘豐, 潘杰 申請人:江南大學(xué)