基于PT1000的高精度溫度測量系統(tǒng)

精密化學(xué)、生物醫(yī)藥、精細(xì)化工、精密儀器等領(lǐng)域?qū)囟瓤刂凭鹊囊髽O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：引線電阻、自熱效應(yīng)、元器件漂移和鉑電阻傳感器精度。其中，減小引線電阻的影響是高精度測量的關(guān)鍵點。對于自熱效應(yīng)，根據(jù)元件發(fā)熱公式P=I2R，必須使流過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。但是過小的電流又會使信噪比下降，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題，但是精度不佳(±0.4 ℃)；楊彥偉提出了以MAX1402、AT89C51和Pt500鉑電阻設(shè)計的精密溫度測量系統(tǒng)方案解決了基本的高精度問題，但是系統(tǒng)功耗大，精度仍然不佳；李波等提出采用以負(fù)溫度系數(shù)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題，但是性價比不高，實施效果不佳，測溫分辨率能達(dá)到0．01℃，測溫準(zhǔn)確度只達(dá)到O．1℃。這里提出采用三線制恒流源驅(qū)動方案克服引線電阻、自熱效應(yīng)，利用單片機(jī)系統(tǒng)校正控制方案實現(xiàn)元器件漂移和鉑電阻傳感器精度校準(zhǔn)，最后在上位機(jī)中采用MLS數(shù)值算法實現(xiàn)噪聲抵消，大大提高了溫度測量精度和穩(wěn)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(zhǔn)確地測量出鉑電阻傳感器的電阻值。按照IEC751國際標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)在常用的Pt1000(Ro=1 000 Ω)是以溫度系數(shù)TCR=0．003 851為標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一設(shè)計的鉑電阻。其溫度電阻特性是：

本溫度測量系統(tǒng)采用三線制恒流源驅(qū)動法驅(qū)動鉑電阻傳感器。三線制恒流源驅(qū)動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為三線制恒流源驅(qū)動法高精度測量方案，參考電阻與傳感器串聯(lián)連接，用恒流源驅(qū)動，電路各元件將產(chǎn)生相應(yīng)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(zhuǎn)換器直接測量，并采用2次電壓測量—交換驅(qū)動電流方向，在每個電流方向上各測量一次。其特點是直接測量傳感器的電阻變化量，A／D轉(zhuǎn)換器利用效率高，電路輸出電壓同電阻變化量成線性關(guān)系。傳感器采用三線制接法能有效地消除導(dǎo)線電阻和自熱效應(yīng)的影響。利用單片機(jī)系統(tǒng)控制兩次測量電壓可以避免接線勢壘電壓及放大器、A／D轉(zhuǎn)換器的失調(diào)與漂移產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差，還可以校準(zhǔn)鉑電阻傳感器精度。恒流源與A／D轉(zhuǎn)換器共用參考基準(zhǔn)，這樣根據(jù)A／D轉(zhuǎn)換器的計量比率變換原理，可以消除參考基準(zhǔn)不穩(wěn)定產(chǎn)生的誤差，不過對恒流源要求較高，電路結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。為了進(jìn)一步克服噪聲和隨機(jī)誤差對測量精度和穩(wěn)定度的影響，最后在上位機(jī)中采用MLS數(shù)值算法實現(xiàn)噪聲抵消，大大提高了溫度測量精度和穩(wěn)定度。

2 系統(tǒng)電路設(shè)計
2．1 三線制恒流源驅(qū)動電路
恒流源驅(qū)動電路負(fù)責(zé)驅(qū)動溫度傳感器Pt1000，將其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。本系統(tǒng)中，所需恒流源要具有輸出電流恒定，溫度穩(wěn)定性好，輸出電阻很大，輸出電流小于0．5 mA(Pt1000無自熱效應(yīng)的上限)，負(fù)載一端接地，輸出電流極性可改變等特點。
由于溫度對集成運(yùn)放參數(shù)影響不如對晶體管或場效應(yīng)管參數(shù)影響顯著，由集成運(yùn)放構(gòu)成的恒流源具有穩(wěn)定性更好、恒流性能更高的優(yōu)點。尤其在負(fù)載一端需要接地的場合，獲得了廣泛應(yīng)用。所以采用圖2所示的雙運(yùn)放恒流源。其中放大器UA1構(gòu)成加法器，UA2構(gòu)成跟隨器，UA1、UA2均選用低噪聲、低失調(diào)、高開環(huán)增益雙極性運(yùn)算放大器OP07。

設(shè)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(dāng)取電阻R1=R2，R3=R4時，則Va=VREFx+Vb，故恒流源的輸出電流就為：

由此可見該雙運(yùn)放恒流源具有以下顯著特點：
1)負(fù)載可接地；2)當(dāng)運(yùn)放為雙電源供電時，輸出電流為雙極性；3)恒定電流大小通過改變輸入?yún)⒖蓟鶞?zhǔn)VREF或調(diào)整參考電阻Rref0的大小來實現(xiàn)，很容易得到穩(wěn)定的小電流和補(bǔ)償校準(zhǔn)。
由于電阻的失配，參考電阻Rref0的兩端電壓將會受到其驅(qū)動負(fù)載的端電壓Vb的影響。同時由于是恒流源，Vb肯定會隨負(fù)載的變化而變化，從而就會影響恒流源的穩(wěn)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個電阻。
2．2 信號調(diào)理電路
信號調(diào)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，即通過對大量普通標(biāo)稱電阻進(jìn)行篩選，從中選取阻值最接近的。