精度高鉑電阻溫度測(cè)量新方法

摘要:溫度是工業(yè)生產(chǎn)重要測(cè)量參數(shù),測(cè)量結(jié)果精度在很大程度上影響了產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量,現(xiàn)在工業(yè)生產(chǎn)中對(duì)溫度測(cè)量精度要求更為嚴(yán)格。想要提高鉑電阻溫度測(cè)量精度,就需要結(jié)合其所具有的特點(diǎn),做好實(shí)施過(guò)程的分析,降低各項(xiàng)因素的影響,對(duì)鉑電阻溫度測(cè)量斷方法進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析。
引言
　　鉑電阻元件現(xiàn)在已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)中,與其他溫度測(cè)量方法相比,具有更高的應(yīng)用效果。對(duì)于鉑電阻溫度測(cè)量來(lái)說(shuō)，常規(guī)是利用測(cè)量電阻橋不平衡電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)，對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換器精度要求比較高,同時(shí)所需測(cè)量成本也較大。為提高工業(yè)溫度測(cè)量綜合效率，在原有基礎(chǔ)上進(jìn)行精度高鉑電阻溫度測(cè)量新方法分析,對(duì)原有測(cè)量方法進(jìn)行優(yōu)化,解決存在的各類問(wèn)題，達(dá)到降低測(cè)量成本的目的。
1鉑電阻測(cè)量溫度原理分析
　　鉑電阻傳感器應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)測(cè)量溫度領(lǐng)域,主要就是利用金屬鉑電阻值受溫度影響較大特點(diǎn),將其制造成溫度傳感器,完成溫度變化狀態(tài)的測(cè)量。選擇鉑電阻為測(cè)溫元件，可以得到鉑電阻傳感器電阻值。一般工業(yè)測(cè)溫系統(tǒng)中所用鉑電阻為PT1000(R0=1000Ω),對(duì)其溫度特性進(jìn)行分析,可得知當(dāng)-200℃<t<0℃時(shí),R(t)=R0[L1+At+Bt²+C(t-100)tm³];當(dāng)0℃<t<850℃時(shí),R(t)=Rd(1+At+B。其中,R(x)表示6℃時(shí)電阻值,R0表示0℃時(shí)電阻值,AB、C均標(biāo)志時(shí)間常數(shù)。在應(yīng)用鉑電阻實(shí)際測(cè)溫時(shí)，需要對(duì)鉑電阻傳感器自身精度進(jìn)行分析，因?yàn)橐话闱闆r下，任意2個(gè)傳感器實(shí)際電阻-溫度特性并不完全相同,因此為提高測(cè)量結(jié)果精度,需要選擇用溫度校準(zhǔn)方法對(duì)單個(gè)鉑電阻傳感器進(jìn)行多點(diǎn)溫度測(cè)量,掌握其唯一溫度特性,避免傳感器性能特點(diǎn)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。
2精度高鉑電阻測(cè)量溫度實(shí)施策略
2.1實(shí)施要點(diǎn)
第一，溫度是影響鉑電阻阻值以及放大器精度的主要因素,一旦外界溫度發(fā)生變化,勢(shì)必會(huì)對(duì)系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果精度產(chǎn)生影響。因此在開(kāi)展精度高鉑電阻溫度測(cè)量方法時(shí)，必須要做好有效溫度補(bǔ)償方法的分析。第二，溫度測(cè)量精度預(yù)告，高分辨率A/D轉(zhuǎn)換器價(jià)格越大，因此也就使得測(cè)量成本增加，也是需要重點(diǎn)解決的問(wèn)題之一。針對(duì)此類問(wèn)題，可以通過(guò)RC振蕩器,來(lái)將鉑電阻變化量轉(zhuǎn)換為頻率信號(hào)，可以有效解決溫度變化以及不平衡電阻橋產(chǎn)生的非線性問(wèn)題。同時(shí),對(duì)頻率變化量進(jìn)行測(cè)量,計(jì)算出鉑電阻阻止變化量,得到被測(cè)溫度結(jié)果值。這樣可以將中間AD環(huán)節(jié)省略掉，不但可以提高測(cè)量精度,同時(shí)還可以有效控制測(cè)量成本。
2.2傳感器信號(hào)調(diào)理
　　利用傳感器測(cè)量的方法中，需要重點(diǎn)分析輸出模擬信號(hào)的數(shù)字化轉(zhuǎn)變，例如將鉑電阻放入RC震蕩電路中,將鉑電阻組織變化調(diào)制成時(shí)變頻率信號(hào)，如圖1所示。振蕩電路由傳感器以及觸發(fā)器組成,并可以將傳感器看作為電阻，這樣便可以通過(guò)觸犯器設(shè)置適當(dāng)閥值，最終將傳感器阻值變化信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻率信號(hào)。然后將轉(zhuǎn)換后信號(hào)輸人到計(jì)數(shù)器內(nèi),在預(yù)定循環(huán)周期內(nèi)通過(guò)高速計(jì)數(shù)器解調(diào)頻率信號(hào)，確保數(shù)字化為與震蕩頻率成比例的值，最后便可以通過(guò)成比例值計(jì)算得出溫度值。
 
2.3推算測(cè)量結(jié)果
　　經(jīng)過(guò)傳感器信號(hào)調(diào)理后,需要完成溫度解算。即利用測(cè)量得到的計(jì)數(shù)值,來(lái)計(jì)算信號(hào)變化頻率值,其中頻率與RC震蕩電路時(shí)間一般呈現(xiàn)反比關(guān)系,即:F0=1/kRC。其中,F0表示所測(cè)信號(hào)變化頻率值,R表示鉑電阻阻值;C表示振蕩器電容值,k表示時(shí)間比例系數(shù)回。如果公式中F0.C以及k為已知條件,便可以計(jì)算得出鉑電阻當(dāng)前阻值，進(jìn)而可以通過(guò)阻值計(jì)算得出溫度數(shù)值。
3精度高鉑電阻溫度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析
3.1設(shè)計(jì)方案
3.1.1設(shè)計(jì)原則
　　為提高溫度值測(cè)量精度，系統(tǒng)上設(shè)計(jì)傳感器采用四線制鉑電阻溫度傳感器，對(duì)導(dǎo)線引線電阻進(jìn)行消除。選知小恒流源為鉑電阻供電，并控制供電時(shí)間，降低自熱效應(yīng)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。同時(shí)，對(duì)于A/D采集、參考電阻與運(yùn)放等元器件,應(yīng)選擇用精度高、低溫漂類型,降低器件產(chǎn)生的測(cè)量誤差。另外，為降低計(jì)算復(fù)雜度，應(yīng)盡量選擇用先進(jìn)測(cè)量算法設(shè)計(jì)硬件的電路,提高噪聲抵消效果。
3.1.2設(shè)計(jì)算法
　　在對(duì)溫控系統(tǒng)前端進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，可以采取圖2†方式,其中虛線部位表示鉑電阻,Rt1、Rt2、Rt3、Rt4表示鉑電阻線阻,Rt表示待測(cè)鉑電阻,R1、R2、R3表示標(biāo)準(zhǔn)參考電阻,Rt,表示偏置電阻印。另外,1表示恒遠(yuǎn)流,K1-K10表示模擬開(kāi)關(guān)。
 
　　此系統(tǒng)運(yùn)行主要通過(guò)控制模擬開(kāi)關(guān)通斷來(lái)實(shí)現(xiàn),可以實(shí)現(xiàn)進(jìn)入運(yùn)放與A/D轉(zhuǎn)換元件不同電壓信號(hào)的切換,完成電壓信號(hào)的測(cè)量,并確定電阻Rt數(shù)值。假設(shè)運(yùn)放放大倍數(shù)為p,A/D芯片采集時(shí)參考電壓為V,滿量程讀數(shù)為VAADrangu,則算法為:
　　在進(jìn)行溫度測(cè)量時(shí)，不同電流開(kāi)關(guān)切換時(shí)間以及A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間較短,因此可以保證上述4次測(cè)量方法的實(shí)施溫度不發(fā)生變化，同時(shí)也可以忽略鉑電阻自熱影響。因此,運(yùn)放放大倍數(shù)p與A/D芯片采集時(shí)便可以人為參考電壓V相等。則可以得到:.
Rt=(a-b-c/c-d)(R1-R2)
　　由此可見(jiàn),Rt阻值的大小受A/D測(cè)量值，以及R1、R2阻止決定，與恒流源、A/D參考電壓以及運(yùn)放放大倍數(shù)等參數(shù)無(wú)關(guān)。因此想要提高溫度測(cè)量結(jié)果的精度，便可以通過(guò)應(yīng)用高分頻率A/D芯片,以及精度高、低溫漂電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)。
3.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3.2.1條件確定
1)器件選擇。選擇用精度高與高穩(wěn)定性Pt1000薄膜鉑電阻傳感器,其0℃環(huán)境下誤差為±0.06Ω。恒流源運(yùn)放、模擬開(kāi)關(guān)以及A/D轉(zhuǎn)換器選擇用集成芯片ADS1248,可以有效簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì),減小了傳統(tǒng)采集電路中器件間導(dǎo)線連接與外圍干擾，提高測(cè)量值的精度'。
2)參考電阻選擇。設(shè)計(jì)系統(tǒng)測(cè)溫環(huán)境溫度范圍在-30~+80℃，對(duì)應(yīng)鉑電阻阻值范圍882.21~1308.96Ω。其中,基于線路電阻因素分析,Rt+Rt4組織范圍應(yīng)控制在880~1320Ω間,并且為保證經(jīng)過(guò)放大后信號(hào)可以與A/D輸入范圍相同，來(lái)保證檢測(cè)分辨率精度，對(duì)于R3阻值應(yīng)確定為883~1320Ω范圍內(nèi)。
3.2.2硬件系統(tǒng)
　　ADS1248芯片外圍電路設(shè)計(jì)中，鉑電阻需要與四線制相連接,并設(shè)置足夠多恒流源輸出端口,且保證其可以軟件配置輸出到任何端口。片內(nèi)緩沖器輸入阻抗可以達(dá)到5000MΩ,基本上可以將測(cè)試線_上電流看作為0,進(jìn)而能夠有效避免信號(hào)線附加電阻對(duì)測(cè)量結(jié)果精度的影響。另外，在選擇單片機(jī)時(shí),應(yīng)以實(shí)際需求為基礎(chǔ),確?？梢酝瓿葾DS1248芯片寄存器讀寫(xiě)、狀態(tài)控制、測(cè)量數(shù)據(jù)讀取等行為,最終將測(cè)量結(jié)果顯示出來(lái)。
3.2.3軟件系統(tǒng)
　　軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括單片機(jī)程序與上位機(jī)監(jiān)測(cè)程序兩部分，任何一部分的設(shè)計(jì)均需要確保其能夠滿足系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)際需求。第一,單片機(jī)程序?？梢赃x擇用Keil開(kāi)發(fā)環(huán)境以及C52編程語(yǔ)言設(shè)計(jì),分為端口初始化、A/D轉(zhuǎn)換與算法、寄存器控制以及SPI數(shù)據(jù)讀取等模塊間。在實(shí)際測(cè)溫作業(yè)中,利用控制開(kāi)關(guān)來(lái)完成恒流源與相應(yīng)電阻通路接通時(shí)，需要最大程度上來(lái)縮短整個(gè)操作時(shí)間，達(dá)到消除自熱效應(yīng)影響的目的。并且,要保證控制器每秒完成一次溫度數(shù)據(jù)采集作業(yè),并將采集數(shù)據(jù)通過(guò)串口輸送給上位機(jī)。第二，上位機(jī)程序?？梢曰贚abWindowsCVI9.0開(kāi)發(fā)軟件界面,來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)施溫度數(shù)據(jù)的顯示。
4結(jié)語(yǔ)
　　鉑電阻作為工業(yè)生產(chǎn)中理想的測(cè)溫元件，在實(shí)際應(yīng)用中可以充分發(fā)揮其所具有的精度高、高靈敏度特點(diǎn)，但是測(cè)量結(jié)果更大程度上會(huì)受模數(shù)轉(zhuǎn)換器精度影響,需要選擇應(yīng)用性能良好的模數(shù)轉(zhuǎn)換器,進(jìn)而會(huì)使得成本較高。因此,需要在現(xiàn)有基礎(chǔ)上,對(duì)精度高鉑電阻溫度測(cè)量方法進(jìn)行研究，結(jié)合其測(cè)溫作業(yè)要求,確定優(yōu)化要點(diǎn),設(shè)計(jì)性能優(yōu)良的硬件與軟件系統(tǒng),開(kāi)發(fā)出一種新的精度高低成本鉑電阻測(cè)溫方法,確保測(cè)溫結(jié)果精度滿足工業(yè)生產(chǎn)要求。