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基于PT1000的高精度温度测量系统设计

文章出处:yaxun88 人气:发表时间:2019-11-27 14:49

精密化学,生物医学,精细化工,精密仪器等领域对温度控制精度有极高的要求,温度控制的核心是温度测量。用铂电阻测量温度是一种有效的高精度温度测量方法,但存在以下困难:引线电阻,自热效应,元件漂移和铂电阻传感器精度。其中,降低引线电阻的影响是高精度测量的关键。为了实现自加热效果,根据组件加热公式P = I2R,必须使流过组件的电流足够小,以使热量产生较小,并且传感器可以检测到正确的温度。但是,电流太小会降低信噪比,并且难以保证精度。此外,某些组件和仪器很难满足组件漂移和铂电阻传感器精度要求。

我公司提出了一种以铂电阻为测温元件的高精度测温方案,解决了硬件电路上高精度测量的一些苛刻问题,但精度不好(±0.4°C);用MAX1402,AT89C51和Pt500铂电阻设计的精密温度测量系统解决了基本的高精度问题,但该系统功耗很大,精度仍然很差。以负温度系数热敏电阻为核心的高精度测量方案解决了高精度问题。但是,性价比不高,实现效果不好,温度分辨率可以达到0.01°C,温度测量精度仅为O.1°C。这里的三线恒流源驱动方案是提出了克服引线电阻和自热效应的方法,采用单片机系统校正控制方案,实现了元件漂移和铂电阻传感器精度校准。最后,在主机上采用MLS数值算法实现噪声消除,大大提高了测温精度和稳定性。

1.高精度测量方案及原理
铂电阻传感器是通过利用金属铂(Pt)电阻值的物理特性作为温度的函数制成的温度传感器。使用铂电阻作为温度测量元件进行温度测量的关键是准确测量铂电阻传感器的电阻值。根据IEC751国际标准,常用的PT1000(Ro = 1 000Ω)是以温度系数TCR = 0.003851为标准统一设计的铂电阻。其耐温特性是:
PT1000耐温特性

温度测量系统使用三线恒流源驱动方法来驱动铂电阻传感器。三线恒流源驱动方法是指通过硬件电路消除铂电阻传感器的固定电阻(零度电阻),并直接测量传感器的电阻变化。图1是三线恒流源驱动方法的高精度测量方案。参考电阻与传感器串联,并由恒定电流源驱动,电路的元件将产生相应的电压。由温度变化引起的传感器电压可以通过以下放大器电路和A / D转换器直接测量,并且电压测量使用两次-在每个电流方向上交换和测量驱动电流的方向一次。其特点是直接测量传感器的电阻变化。 A / D转换器利用高效率,并且电路的输出电压与电阻的变化成线性关系。该传感器使用三线连接来有效消除线电阻和自热效应的影响。使用单片机系统控制两个测量电压可以避免由于布线势垒电压以及放大器和A / D转换器的失调和漂移引起的系统误差,并且还可以校准铂电阻传感器的精度。恒流源和A / D转换器共用参考标准,因此根据A / D转换器的测量比转换原理,可以消除由于参考基准参考的不稳定性引起的误差,但是对恒流源的要求很高,电路结构复杂。为了进一步克服噪声和随机误差对测量精度和稳定性的影响,最终在主机上采用MLS数值算法实现噪声消除,大大提高了温度测量的精度和稳定性。

恒流源驱动方法驱动3线铂电阻传感器


2.系统电路设计
2.1三线恒流源驱动电路
恒流源驱动电路负责驱动温度传感器Pt1000,将其感测的温度变化电阻信号转换为可测量的电压信号。在该系统中,所需的恒定电流源具有恒定的输出电流,良好的温度稳定性和较大的输出电阻。输出电流小于0.5 mA(Pt1000的上限没有自热效应),负载的一端接地,并且可以改变输出电流的极性。
由于温度对集成运算放大器参数的影响不如晶体管或FET参数那么重要,因此,由集成运算放大器组成的恒流源具有更好的稳定性和更高的恒流性能。特别是在负载端需要接地的情况下,已被广泛使用。因此,使用了图2所示的双运放恒流源。放大器UA1构成加法器,UA2构成跟随器,UA1和UA2选择低噪声,低失调,高开环增益双极运算放大器OP07。
3线恒流源驱动电路

设在图2中的基准电阻Rref的上端和下端的电位分别为Va和Vb,Va是同相加法器UA1的输出。当电阻器R1 = R2和R3 = R4时,Va = VREFx + Vb,因此恒流源的输出电流为:
恒流源输出电流公式

可以看出,双运放恒流源具有以下显着特点:
1)负载可以接地;
2)当运算放大器由双电源供电时,输出电流为双极性;
3)通过改变输入参考参考电压VREF或调节参考电阻Rref0来获得恒定电流大小。容易获得稳定的小电流和补偿校准。

由于电阻器的不匹配,参考电阻器Rref0两端的电压将受到其驱动负载的端电压Vb的影响。同时,由于它是恒流源,因此Vb肯定会随负载而变化,这将影响恒流源的稳定性。显然,这对于高精度恒流源是不可接受的。因此,四个电阻R1,R2,R3和R4的选择原理是失配应尽可能小,并且每对电阻的失配尺寸应相同。实际上,可以筛选大量相同批次的精密电阻,并选择四个电阻值相似的电阻。

2.2信号调理电路
信号调节电路如图3所示。放大器UA3对参考电阻Rref的端电压进行单元放大,以获得差分放大器的输入信号反相。其值为:
信号调理电路

放大器UA4将温度传感器Rt(PT1000)的端子电压放大2倍以获得差分放大器的正向输入信号。其值为:
放大器的正输入信号值

其中,电阻器R5和R6的选择原理与先前的恒流源分析中选择比例电阻的原理相同,即通过筛选大量常用的标称电阻器,选择最接近的电阻。
筛选的常用标称电阻

2.3 A / D转换电路
A / D转换电路由集成的A / D转换器AD7712实现,它也将使用其内部PGA对仪表放大器进行差分放大。 AD7712是一款高精度A / D转换器,适合于低频测量。该芯片包含两个输入通道AIN1和AIN2,可将模拟信号转换为串行数据输出。使用AD7712进行数据转换采集的原理电路如图4所示。在实际工作中需要对其进行配置。选择差分输入通道AIN1,并且输入信号极性为双极性。
AD7712数据转换采集原理电路图

测量结果的误差主要来自参考电阻Rref和Rref0的误差,以及差分放大系数k和A / D转换器的转换输出的误差。为了获得所需的测量精度,参考电阻Rref,Rref0将使用定制的UPR塑料箔电阻,其初始精度为O. 05%,温度稳定性低于5 ppm。 AD7712的非线性误差小于O.001 5%,增益温度稳定性小于2 ppm。 AD7712可以通过单片机进行校准,以减小其非线性误差和增益误差。

3校准和测量结果
3.1测量系统校准
首先使用高精度电阻箱(误差5 ppm)而不是Pt1000校准测量系统。根据等式2中所示的测得的Pt1000电阻/温度关系校准数据,通过更改电阻箱的值来设置相应的测试温度点标称值。经过测量系统,A / D采样和PC程序计算,即可获得测得的温度显示值。根据初始测量数据,对测量电路和补偿电压进行校准,得到测量系统的校准数据,如表1所示。
PT1000电阻/温度关系校准数据表


从表1的测量数据可以看出,测量系统引入的最大误差为0.003°C。因此,只要Pt1000铂电阻的校准误差足够小且精度很高,整个温度测量系统就可以满足高精度测量要求。
 
3.2恒温器的测量
铂电阻传感器Pt1000连接到测量系统,并放置在高精度培养箱(温度控制精度为0.01°C)中,用于校准整个温度测量系统。测量时要注意培养箱的密封,以提高环境温度的稳定性;恒温箱温度稳定后,每3分钟在同一温度点进行20次测量。测得的温度值数据和处理结果如表2所示。由于设备条件的限制,测量温度范围仅为(10〜70°C)。
铂电阻传感器Pt1000测量温度值数据及处理结果表
在表2中,随机误差是从相同温度点的20次测量中计算出的标准偏差(σ= SQR [(xi-X)2 /(n-1)]);系统误差是烤箱的设定温度与温度测量系统测得的温度平均值之间的差。从表2的数据可以看出,测量系统的最大随机误差为0.005°C,接近室温时最小。该测量系统的最大系统误差为-0.009°C,表明Pt1000铂电阻传感器的校准误差小,精度高,可以满足高精度温度测量系统的测量要求。但是,高温误差较大,这可能与烤箱的温度控制精度有关,需要进一步校准。


4.总结
Pt1000铂电阻由三线恒流源驱动,有效克服了线电阻和自热效应对测量精度的影响;用单片机计算双极性驱动电流下的两个测得电压,可以有效避免布线势垒电压以及放大器和A / D转换器的失调和漂移引起的系统误差。恒流源和A / D转换器共享一个参考基准,从而有效地消除了由参考基准的不稳定性引起的误差。 MLS数值算法用于消除主机中的噪声,进一步克服了噪声和随机误差对测量精度和稳定性的影响,大大提高了温度测量的精度和稳定性。整个机器的最大测量误差不超过0.01°C。

此文关键字:PT1000

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