精度高铂电阻测温方法

摘要;提出了一种新的四线制铂电阻测温方法,给出了相应的设计原理和试验数据。该方法实现了电阻与温度之间非线性校正,并具有硬件电路设计简单,使用方便,测量精度高等特点。
　　温度是国际单位制基本的物理量之一,温度检测在工业自动化和科学研究领域应用非常广泛。铂电阻温度传感器是利用金属铂在温度变化时自身电阻值也随之改变的特性来测量温度的，显示仪表将会指示出铂电阻的电阻值所对应的温度值。由于铂的特性稳定,不会因高低温而引起物理或化学变化，且测量范围大、测温精度高、示值复现性高等特点,是一种广泛应用的测温元件。但是铂电阻的电阻R和温度t之间的特性曲线是非线性的,在精密测量系统中,必须进行线性校正。此外,对于电阻型温度传感器,必须设法消除传感器引线电阻对温度的影响。
1线性校正原理
　　Pt100电阻Rt和温度t国际分度表函数R(t)可用公式(1)和(2)表示。在-200℃≤t≤0℃时，
Rt=R0(1+At-Bt²+C(t-100)t³)              (1)
在0℃≤t≤600℃时,
Rt=R0(1+At-Bt²)                       (2)
　　式中Rt为温度t℃时的铂电阻值;R0为温度0℃时的铂电阻值,采用Pt100,即R0=100Ω;A、B、C是由实验室确定的常数,它们的数值分别为A=3.90802×10^-3,B=5.802×10^-7,C=-4.2735×10^-12.
图1中曲线α为电阻Rt和温度t之间的特性曲线,由图1可以看出,Rt和温度t之间存在非线性关系,Rt随温度t的不断升高有下降的趋势。如果已知电阻Rt可以直接根据公式2得出温度t,由.于公式中存在开方计算，则软件方面开销较大。用硬件进行温度校正的方法有很多,通常采用正反馈电路对温度加以补偿,但对硬件设计要求较高。亦可以通过软件查表方法得到温度值,但该方法在测温精度高,测量范围大的场合不太适用，因为电阻Rt的值过于细分,表格容量较大，占ROM空间较大,查表时间较长。
 
　　对公式(2)进行在工程设计允许的范围内进行线性变换,并根据正反馈原理对误差进行适当补偿,得到一种新的计算方法，该方法不需要设计硬件电路进行非线性校正,简化了硬件电路设计,而且去除了原有公式中的开方计算,大大降低了软件计算方面的开销,该方法用C语言编程很容易实现。
　　假设电阻Rt和温度T成线性关系,即:
Rt=R0(1+AT)                   (3)
　　图1中曲线α为电阻Rt和温度t之间的特性曲线,曲线b为电阻Rt和温度T之间的特性曲线。
　　则t=T+△t,所以由电路测出t℃时的热电阻的电阻值R,根据(3)式求出温度T,再找到相应的△t,即.可得到t。以0℃≤t≤500℃时为例:.
　　由(2)式和(3)式可得:
 
 
　　表1为已知实际温度t根据公式(2)求出电阻R,再根据(4)求出T,再根据公式(8)和(10)分别求出△t，t'。由表1可以看出:1)校正后温度从0℃到500℃的t(实际温度)和t'(测量温度)最大绝对误差不超过0.233℃,测量精度可优于0.05%;2)绝对误差的方向是一致的。
 
2测量电路实现
　　在铂电阻测温电路中若采用二线制接法,它是最简单、最经济的一种测量方式,但传感器电阻变化值与引线电阻值共同构成传感器的输出值,引线电阻必然要影响测温精度,一般用于对温度测量精度要求不高的地方,并且引线不宜过长,不适用于本系统。三线制电路的连接方式是工业测量领域中应用较为广泛的一种测量方式,测量电路一般是不平衡电桥,用这种方式,较四线制而言少一根连接线,电路简单、经济,还可以实现较精度高的测量,但是必须为全等臂电桥,否则不可能完全消除导线电阻的影响。采用四线制电路的连接方式,它是一种不受接线电阻影响的精度高测温电路连接方式。虽然增加了接线数,但可以保证电路不受接线电阻的影响,精度高测量仪器几乎都采用这种方式,亦采用四线制接线方式来消除连接线对测温精度的影响。
 
　　Pt100传感器四线制测量电路如图2所示(4根引线的电阻为Ra、Rb、Rc和Rd)。Is为恒流源,R,为Pt100阻值,放大器为差分放大器。Pt100两端电压U1=IsRt。
　　引线Rb、Rd存在电阻会影响测量结果,为此,将Rb、Rd端信号和高输入电阻抗的差分放大器输入端连接,这样Rb、Rd中电流I≈0,Rb、Rd电阻可忽略不计,所以有U;=U1.这就从原理上消除了引线电阻对测温的影响。
　　如测量电路采用如图2所示恒流源电路可得:
 
　　如果测量范围在0到100℃,则U'=AT,范围在0到0.39之间。可设计放大电路,放大倍数为12倍左右，则经A/D转换的电压U"在0到4.68V,该测量范围较为合理;如果测量范围在0到200℃,可调整放大倍数为6左右,仍然可以得到相同的测量范围。所以只要准确的测出电阻R,上的电压U既可根据公式(12)得到AT,根据公式(10)得到要测量的温度t'。
3实验结果与结论
　　根据上述原理设计出四线制恒流源Pt100测量电路,并根据公式(10)、(12)得到计算结果,该方法硬件电路设计简单,软件计算量较小，编程简单,完全能够满足多数测量精度要求较高的场合。另外根据表1,测量的绝对误差方向总是一致的,如果要求测量温度范围大和测量精度高,还可以进行软件的适当修正。