基於鉑電阻的寬量程高精度溫度測量裝置
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℃是科學研究和工業生產最常用的溫度範圍，在此範圍內進行高精度溫度測量一直是研究的熱點問題。本文研究了一種新的以鉑電阻pt100 為溫度感測器，採用分段和比例原理的高解析度、高精度溫度測量方法。 根據本文研究的方法所設計的溫度測量系統具有體積小、精度高等特點，不但可以用於工業生產和科學
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℃是科學研究和工業生產最常用的溫度範圍，在此範圍內進行高精度溫度測量一直是研究的熱點問題。本文研究了一種新的以鉑電阻pt100 為溫度感測器，採用分段和比例原理的高解析度、高精度溫度測量方法。
根據本文研究的方法所設計的溫度測量系統具有體積小、精度高等特點，不但可以用於工業生產和科學研究過程中的高精度溫度測量，也可作為可傳遞的計量標準。
0 引言
-30-300℃是科學研究和工業生產最常用的溫度範圍，隨著科學研究和工業生產對溫度測量精度和解析度要求的提高，具有高解析度、高精度的溫度測量方法的研究、相關高解析度、高精度測溫儀器的研發已收到廣泛的關注。標準鉑電阻溫度計作為1990 年國際溫標（its - 90） 規定的內插測溫儀器，是-30-300 度溫度段內測溫準確度最高的測溫儀器。鉑電阻作為溫度敏感元件，是鉑電阻溫度計的核心部件。pt100 作為精密測溫常用的感測器具有效能穩定、重複性好、誤差小等優點。
將鉑電阻隨溫度變化而產生的阻值變化轉換為可被進一步處理的電壓訊號的方法通常由兩種：電橋法和恆流源法。電橋法固有的非線性會在測溫系統中引入系統誤差；恆流源法具有很好的線性度並且結構簡單，但是，由於恆流源的穩定性問題，會引入隨機誤差。本文研究了一種基於恆流源法的，以pt100 為溫度感測器的高精度、高解析度溫度測量方法。採用比例測量原理消除恆流源穩定性造成的隨機誤差；採用分段測量的方法在-30-300℃範圍內進行高精度測量。
1 測量原理
恆流源輸出電流的不穩定是造成基於恆流源的鉑電阻溫度測量誤差的主要**。採用比例測量的方法來消除恆流源電流強度的波動。其原理如圖1 所示：
將pt100 與高精度標準電阻串聯。設某一時刻，恆流源輸出的電流強度為ia,那麼，在pt100 上形成的電壓降up=ia*rp,在標準電阻上形成的電壓降us=ia*rs,同時採集鉑電阻和標準電阻的電壓降，並將電壓降比值進行相除操作，則比值λ=up/us=rp/rs,這樣就可以消除電流源不穩定造成的隨機誤差。
設採集溫度電壓訊號的ad 轉換器位數為，如果將-30-300℃的溫度範圍作為乙個整體來考慮且其輸出的電壓範圍與ad 轉換器的量程相同，那麼，lsb 的變化表明，溫度變化了 ℃。
而實際上，由於溫度電壓的範圍要稍小於ad 轉換器的量程，那麼，lsb的變化所代表的溫度要大於℃。本文採用一種分段測量的方法，將被測溫度範圍分成三段：-30-80℃、80-190℃、190-300℃三個溫度段。在智慧型微處理器的控制下，恆流源針對三個不同的溫度段，輸出不同強度的測試電流。使pt100 在每個溫度段內形成的電壓降經放大和調理後的電壓範圍逼近ad 轉換器的量程。通過這種分段測量方法，可以有效提高溫度測量的解析度，為高精度溫度測量做好技術準備。
2 測溫系統設計
根據比例測量和分段測量的原理，設計了高解析度、高精度的鉑電阻溫度測量裝置，其結構及主要元器件型號如圖2 所示。
鉑電阻為四線制a 級pt100.以lm134 作為恆流源的核心器件，分別設定三個不同阻值的反饋電阻使其能夠輸出0.5ma,0.7ma,1ma 三種恆流。電阻的切換由訊號繼電器完成。訊號繼電器由mcu通過繼電器驅動器進行控制。-30-80℃範圍採用1ma的測試電流、80-190℃範圍採用0.7ma 測試電流、190-300℃範圍採用0.5ma 的測試電流。標準電阻是精度為0.01% 的線繞電阻，其溫度穩定性為5ppm/℃。採用ina114 作為鉑電阻和標準電阻的訊號放大電路的核心器件。對鉑電阻的電壓降放大100 倍，對標準電阻的電壓降放大40 倍。以-30-80℃為例，當採用1ma測試電流時，鉑電阻兩端的電壓降範圍為88.22-130.9mv, 放大100 倍後，電壓範圍為8.822-13.09v.在ina114的ref 端，輸入-8.192v的電壓，則ina114 的輸出電壓範圍為0.63-4.898v.用ti 公司的24 位ad 轉換器ads1247 對ina114的輸出電壓進行模數轉換。ads1247 的輸入範圍是0-5v,那麼，在理論上，在-30-80℃範圍內的溫度解析度可達到 ℃。但是，由於ads1247 的穩定性和誤差問題，實際的解析度會低於理論解析度。測溫裝置的工作流程為：mcu 根據鍵盤的輸入資訊，發起一次溫度測量。mcu 首先控制訊號繼電器，使lm134 輸出1ma 的電流，然後，採集鉑電阻的輸出訊號電壓，如果達到5v,則驅動繼電器切換lm134 的反饋電阻，直到鉑電阻輸出電壓低於5v.進而同時採集鉑電阻和標準電阻輸出的電壓訊號，並進行相除操作和溫度換算，將換算結果送顯示器。
通過在解析度為0.001℃、精度為0.01℃的低溫和恆溫油槽實驗，該裝置的測量精度可達到0.03℃，最大的溫度解析度為0.003℃。
3 結論
本文論述了一種基於鉑電阻的寬量程高精度溫度測量裝置的設計原理和實現方法。比例測量方法可以有效消除因恆流源波動造成的隨機誤差。採用分段測量的方法可以將被測溫度範圍進行區域性放大，從而提高測量的解析度和精度。
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