基于PT1000的高精度溫度測量系統

精密化學(xué)、生物醫藥、精細化工、精密儀器等領(lǐng)域對溫度控制精度的要求極高，而溫度控制的核心正是溫度測量。采用鉑電阻測量溫度是一種有效的高精度溫度測量方法，但具有以下難點(diǎn)：引線(xiàn)電阻、自熱效應、元器件漂移和鉑電阻傳感器精度。其中，減小引線(xiàn)電阻的影響是高精度測量的關(guān)鍵點(diǎn)。對于自熱效應，根據元件發(fā)熱公式P=I2R，必須使流過(guò)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(guò)小的電流又會(huì )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(mǎn)足元器件漂移和鉑電阻傳感器精度的要求。
易先軍等提出了以鉑電阻為測溫元件的高精度溫度測量方案，解決了高精度測量對硬件電路的一些苛刻要求問(wèn)題，但是精度不佳(±0.4 ℃)；楊彥偉提出了以MAX1402、AT89C51和Pt500鉑電阻設計的精密溫度測量系統方案解決了基本的高精度問(wèn)題，但是系統功耗大，精度仍然不佳；李波等提出采用以負溫度系數熱敏電阻為核心的高精度測量方案，較好解決了高精度的問(wèn)題，但是性?xún)r(jià)比不高，實(shí)施效果不佳，測溫分辨率能達到0．01℃，測溫準確度只達到O．1℃。這里提出采用三線(xiàn)制恒流源驅動(dòng)方案克服引線(xiàn)電阻、自熱效應，利用單片機系統校正控制方案實(shí)現元器件漂移和鉑電阻傳感器精度校準，最后在上位機中采用MLS數值算法實(shí)現噪聲抵消，大大提高了溫度測量精度和穩定度。

1 高精度測量方案及原理
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(jìn)行溫度測量的關(guān)鍵是要能準確地測量出鉑電阻傳感器的電阻值。按照IEC751國際標準，現在常用的Pt1000(Ro=1 000 Ω)是以溫度系數TCR=0．003 851為標準統一設計的鉑電阻。其溫度電阻特性是：

本溫度測量系統采用三線(xiàn)制恒流源驅動(dòng)法驅動(dòng)鉑電阻傳感器。三線(xiàn)制恒流源驅動(dòng)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)，直接測量傳感器的電阻變化量。圖l為三線(xiàn)制恒流源驅動(dòng)法高精度測量方案，參考電阻與傳感器串聯(lián)連接，用恒流源驅動(dòng)，電路各元件將產(chǎn)生相應的電壓，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轉換器直接測量，并采用2次電壓測量—交換驅動(dòng)電流方向，在每個(gè)電流方向上各測量一次。其特點(diǎn)是直接測量傳感器的電阻變化量，A／D轉換器利用效率高，電路輸出電壓同電阻變化量成線(xiàn)性關(guān)系。傳感器采用三線(xiàn)制接法能有效地消除導線(xiàn)電阻和自熱效應的影響。利用單片機系統控制兩次測量電壓可以避免接線(xiàn)勢壘電壓及放大器、A／D轉換器的失調與漂移產(chǎn)生的系統誤差，還可以校準鉑電阻傳感器精度。恒流源與A／D轉換器共用參考基準，這樣根據A／D轉換器的計量比率變換原理，可以消除參考基準不穩定產(chǎn)生的誤差，不過(guò)對恒流源要求較高，電路結構較為復雜。為了進(jìn)一步克服噪聲和隨機誤差對測量精度和穩定度的影響，最后在上位機中采用MLS數值算法實(shí)現噪聲抵消，大大提高了溫度測量精度和穩定度。

2 系統電路設計
2．1 三線(xiàn)制恒流源驅動(dòng)電路
恒流源驅動(dòng)電路負責驅動(dòng)溫度傳感器Pt1000，將其感知的隨溫度變化的電阻信號轉換成可測量的電壓信號。本系統中，所需恒流源要具有輸出電流恒定，溫度穩定性好，輸出電阻很大，輸出電流小于0．5 mA(Pt1000無(wú)自熱效應的上限)，負載一端接地，輸出電流極性可改變等特點(diǎn)。
由于溫度對集成運放參數影響不如對晶體管或場(chǎng)效應管參數影響顯著(zhù)，由集成運放構成的恒流源具有穩定性更好、恒流性能更高的優(yōu)點(diǎn)。尤其在負載一端需要接地的場(chǎng)合，獲得了廣泛應用。所以采用圖2所示的雙運放恒流源。其中放大器UA1構成加法器，UA2構成跟隨器，UA1、UA2均選用低噪聲、低失調、高開(kāi)環(huán)增益雙極性運算放大器OP07。

設圖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(shí)，則Va=VREFx+Vb，故恒流源的輸出電流就為：

由此可見(jiàn)該雙運放恒流源具有以下顯著(zhù)特點(diǎn)：
1)負載可接地；2)當運放為雙電源供電時(shí)，輸出電流為雙極性；3)恒定電流大小通過(guò)改變輸入參考基準VREF或調整參考電阻Rref0的大小來(lái)實(shí)現，很容易得到穩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(huì )受到其驅動(dòng)負載的端電壓Vb的影響。同時(shí)由于是恒流源，Vb肯定會(huì )隨負載的變化而變化，從而就會(huì )影響恒流源的穩定性。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(gè)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(shí)際中，可以對大量同一批次的精密電阻進(jìn)行篩選，選出其中阻值接近的4個(gè)電阻。
2．2 信號調理電路
信號調理電路如圖3所示，放大器UA3對參考電阻Rref的端電壓進(jìn)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(guò)對大量普通標稱(chēng)電阻進(jìn)行篩選，從中選取阻值最接近的。