一種精密的熱電阻測(cè)溫方法

摘    要: 本文介紹了一種采用恒壓分壓法精密測(cè)量三線制熱電阻阻值的方法，對(duì)于Pt100熱電阻，檢測(cè)分辨率可以達(dá)到0.005W。同時(shí)采用計(jì)算的方法，能夠使獲得的溫度準(zhǔn)確度達(dá)到0.05℃。
關(guān)鍵詞: 恒壓；三線制；熱電阻；精度

引言
溫度參數(shù)是目前工業(yè)生產(chǎn)中最常用的生產(chǎn)過(guò)程參數(shù)之一，對(duì)溫度的測(cè)量雖然有許多不同的方法，但熱電阻憑借其優(yōu)良的特性成為目前工業(yè)上溫度測(cè)量中應(yīng)用最廣泛普遍的傳感元件之一。由于金屬鉑優(yōu)良的物理特性，使它成為制造熱電阻的首選材料。它能夠制造成體積微小的薄膜形式，或者纏繞在陶瓷和云母基板上制造出高穩(wěn)定性的溫度傳感器，能夠適應(yīng)各種復(fù)雜的測(cè)溫場(chǎng)合。一般在-200℃至+400℃的溫度范圍內(nèi)，Pt100熱電阻溫度傳感器是首選測(cè)溫元件。
目前在各種檢驗(yàn)設(shè)備中，如各種檢驗(yàn)用恒溫槽，都要求設(shè)備能夠提供高精度的溫度指示，這就要求作到對(duì)溫度的高精度測(cè)量。又如，在配置Pt100熱電阻傳感器的智能型二線制一體化溫度變送器中，也要求對(duì)溫度有高精度的測(cè)量，這樣才能夠保證變送器在全量程范圍內(nèi)的高精度。為了消除導(dǎo)線電阻對(duì)測(cè)量的影響，在實(shí)驗(yàn)室和工業(yè)應(yīng)用中，都是采用三線制引線接法來(lái)消除導(dǎo)線電阻影響的。本文介紹的就是一種精密測(cè)量三線制熱電阻阻值的方案，同時(shí)提供了高精度的溫度轉(zhuǎn)換方法。

三線制熱電阻阻值檢測(cè)電路
圖1是一個(gè)采用恒壓分壓法精密測(cè)量三線制熱電阻阻值的檢測(cè)電路，實(shí)際是一個(gè)高精度溫度變送器的檢測(cè)部分。它采用AD7705作為模數(shù)轉(zhuǎn)換器，系統(tǒng)控制CPU采用P87LPC764，整體系統(tǒng)是一個(gè)低功耗系統(tǒng)。
圖1中，電阻體RT接成了三線制，RL為三根導(dǎo)線電阻，一般每根導(dǎo)線電阻在5W之內(nèi)。電阻體與測(cè)量電路以A、B、C三點(diǎn)連接，實(shí)際上是與電阻R構(gòu)成了對(duì)電壓VREF的分壓電路。一般情況下，為避免驅(qū)動(dòng)電流導(dǎo)致電阻體發(fā)熱引起測(cè)量誤差，電流應(yīng)該小于3mA，這里筆者通過(guò)選擇VREF和R，使驅(qū)動(dòng)熱電阻的電流約為0.6 mA左右。當(dāng)在VREF和R是已知的前提下，通過(guò)檢測(cè)VAB和VAC，就能夠通過(guò)計(jì)算的方法得到RT，從而求得實(shí)際溫度。VAB和VAC的檢測(cè)由AD7705完成，它是一個(gè)具有雙輸入通道，16位的Σ-Δ A/D轉(zhuǎn)換器，輸入帶有可編程放大器，這里采用了8倍增益，通道1檢測(cè)VAC，通道2檢測(cè)VAB。參見圖1，很容易可以獲得如下的關(guān)于VAB和VAC的關(guān)系式1和2，它們實(shí)際上是以RT和RL為未知數(shù)的二元一次方程，很容易求解出RT，即式3。
VAB=VREF*RL/(R+RT+2*RL)                                    (1)
VAC=VREF*(RT+2*RL)/(R+RT+2*RL)                      (2)
RT=R*(VAC-2*VAB)/(VREF-VAC)                                (3)
獲得了RT，就可以間接推算出實(shí)際測(cè)量的溫度，由于傳感器是非線性的，一般傳統(tǒng)的方法經(jīng)常采用查表、折線等方法來(lái)計(jì)算溫度，但是這些方法在有限的表格空間下都難于得到高精度，僅適用于精度要求不高的工業(yè)場(chǎng)合。如果采用國(guó)標(biāo)中給出的Rt(t)函數(shù)公式加試差法推導(dǎo)溫度值，能夠獲得極高精度，但是在以往的計(jì)算機(jī)處理方法中由于考慮到程序的復(fù)雜性，一般都回避采用浮點(diǎn)計(jì)算方法，不過(guò)目前的C51編譯器已經(jīng)具有極高的效率，同時(shí)，程序存儲(chǔ)空間也不是問(wèn)題，因此筆者采用了這種高精度的計(jì)算方法，下面是計(jì)算RT及測(cè)量溫度的一個(gè)C51函數(shù)，它采用的檢測(cè)對(duì)象是符合IEC751標(biāo)準(zhǔn)，TRC=0.003851的Pt100熱電阻。
process_t()      /*測(cè)量溫度求解函數(shù)，已知R，VREF*/
{
data float vac,vab,rt,rt1,t;
    vac=ad_pro(1);
vab=ad_pro(2);    /*A/D轉(zhuǎn)換獲得VAB和VAC*/
rt1=r*(vac-2*vab)/(vref-vac);  
/*計(jì)算出熱電阻當(dāng)前值*/
      rt=lubo(rt1);            /*滑動(dòng)加權(quán)濾波*/
  t=(rt-100)/0.36;
/*首先按照400度量程線性估計(jì)當(dāng)前溫度*/
        do
/*采用試差法循環(huán)計(jì)算，剛才估計(jì)的t做初始值*/
        {
        if(rt<100) /*攝氏零度以下處理*/
          {
            rt1=100+t*(0.390802-0.0000580195*t-
        0.000000000427351*(t-100)*t*t);
          }
        else /*攝氏零度以下處理*/
          {
            rt1=100+t*(0.390802-0.0000580195*t);
          }
        t=t+(rt-rt1)/0.36;
        }
      while(((rt-rt1)>0.005)||(rt1-rt)>0.005);
      /*計(jì)算余差最終小于0.005歐*/
          return(t)        /*試差結(jié)束，返回浮點(diǎn)數(shù)溫度值*/
}

R及VREF的校準(zhǔn)
上面求解測(cè)量溫度的過(guò)程中是把R和VREF都作為已知參數(shù)來(lái)處理的，表面上看，它們都是有標(biāo)稱值的，不過(guò)它們的標(biāo)稱值都是有誤差的。其中R為高穩(wěn)定性的金屬膜電阻，它的精度為0.1%，VREF取自LM285，它的出廠穩(wěn)定值范圍為1.235

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