基于三線制恒流源驅(qū)動Pt1000鉑電阻的溫度測量

　　溫度控制的核心是溫度測量，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、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，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。

　　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，利用單片機系統(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，最后在上位機中采用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(xiàn)在常用的Pt1000(Ro=1 000 Ω)是以溫度系數(shù)TCR=0.003 851為標準統(tǒng)一設計的鉑電阻。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線電阻和自熱效應的影響。利用單片機系統(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，還可以校準鉑電阻傳感器精度。恒流源與A/D轉(zhuǎn)換器共用參考基準，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)較為復雜。為了進一步克服噪聲和隨機誤差對測量精度和穩(wěn)定度的影響，最后在上位機中采用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)電路設計

　　2.1 三線制恒流源驅(qū)動電路

　　恒流源驅(qū)動電路負責驅(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無自熱效應的上限)，負載一端接地，輸出電流極性可改變等特點。

　　由于溫度對集成運放參數(shù)影響不如對晶體管或場效應管參數(shù)影響顯著，由集成運放構(gòu)成的恒流源具有穩(wěn)定性更好、恒流性能更高的優(yōu)點。尤其在負載一端需要接地的場合，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(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，則Va=VREFx+Vb，故恒流源的輸出電流就為：

　　由此可見該雙運放恒流源具有以下顯著特點：

　　1)負載可接地;2)當運放為雙電源供電時，輸出電流為雙極性;3)恒定電流大小通過改變輸入?yún)⒖蓟鶞蔞REF或調(diào)整參考電阻Rref0的大小來實現(xiàn)，很容易得到穩(wěn)定的小電流和補償校準。

　　由于電阻的失配，參考電阻Rref0的兩端電壓將會受到其驅(qū)動負載的端電壓Vb的影響。同時由于是恒流源，Vb肯定會隨負載的變化而變化，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稱電阻進行篩選，從中選取阻值最接近的。

　　2.3 A/D轉(zhuǎn)換電路

　　A/D轉(zhuǎn)換電路由一個集成A/D轉(zhuǎn)換器AD7712完成，同時將利用其內(nèi)部的PGA完成儀表放大器的差分放大功能。AD7712是適合低頻測量的高精度A/D轉(zhuǎn)換器。片內(nèi)含有2個輸入通道AIN1和AIN2，能將模擬信號轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)輸出。利用AD7712實現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換采集的原理電路如圖4所示，實際工作時需要對其進行配置。選用差分輸入通道AIN1，輸入信號極性為雙極性。

　　測量結(jié)果的誤差主要來源于參考電阻Rref、Rref0的誤差，以及差分放大倍數(shù)k和A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換輸出的誤差。為了達到要求的測量精度，參考電阻Rref、Rref0將采用定制的UPR塑封金屬箔電阻，這種電阻具有O.05%的初始精度，小于5 ppm的溫度穩(wěn)定性。AD7712的非線性誤差小于O.001 5%，增益溫度穩(wěn)定性小于2 ppm，并且還可以通過單片機對AD7712進行校準來減小其非線性誤差以及增益誤差。

　　3 定標與實測結(jié)果

　　3.1 測量系統(tǒng)定標

　　首先用高精度電阻箱(誤差5 ppm)代替Pt1000對測量系統(tǒng)進行定標。根據(jù)式2所示的實測Pt1000電阻/溫度關(guān)系標定數(shù)據(jù)，通過改變電阻箱的取值來設定相對應的測試溫度點標稱值，經(jīng)過測量系統(tǒng)、A/D采樣和上位機程序計算，得到測量溫度顯示值。根據(jù)初測數(shù)據(jù)對測量電路、補償電壓進行校準后，得到測量系統(tǒng)定標數(shù)據(jù)如表1所示。

　　從表l測量數(shù)據(jù)可見，測量系統(tǒng)引入的最大誤差為0.003℃。因此只要Pt1000鉑電阻的定標誤差足夠小，精度高，整個溫度測量系統(tǒng)就可以滿足高精度的測量要求。

　　3.2 恒溫箱實測

　　將鉑電阻傳感器Pt1000接入測量系統(tǒng)，并置入高精度恒溫箱中(溫控精度0.01℃)進行整個溫度測量系統(tǒng)定標測量。測量時要注意恒溫箱的密封，以提高環(huán)境溫度穩(wěn)定性;恒溫箱溫度穩(wěn)定后，每隔3 min對同一溫度點進行20次測量。測量溫度值數(shù)據(jù)及處理結(jié)果如表2所示。由于設備條件所限，測量溫度范圍只有(10～70℃)。

　　表2中，隨機誤差是根據(jù)同一溫度點的20次測量數(shù)據(jù)計算出的標準偏差(σ=SQR[(xi-X)2/(n-1)]);系統(tǒng)誤差是恒溫箱設定溫度與本溫度測量系統(tǒng)測量溫度平均值的差值。由表2中數(shù)據(jù)可見，測量系統(tǒng)的最大隨機誤差為0.005℃，且在接近室溫時最小;測量系統(tǒng)的最大系統(tǒng)誤差為-0.009℃，說明Pt1000鉑電阻傳感器的定標誤差較小，精度也較高，能滿足高精度溫度測量系統(tǒng)的測量要求，但溫度高端誤差較大，可能與恒溫箱溫度控制精度有關(guān)，有待于進一步定標。

　　4 結(jié)論

　　利用三線制恒流源驅(qū)動Pt1000鉑電阻，有效克服了導線電阻和自熱效應對測量精度的影響;利用單片機計算雙極性驅(qū)動電流下的兩次測量電壓可有效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;恒流源與A/D轉(zhuǎn)換器共用參考基準，有效消除了參考基準不穩(wěn)定產(chǎn)生的誤差。在上位機中采用MLS數(shù)值算法抵消噪聲，進一步克服了噪聲和隨機誤差對測量精度和穩(wěn)定度的影響，大大提高了溫度測量精度和穩(wěn)定度，使得整機最大的測量誤差不大于0.01℃。