昌暉儀表設(shè)計(jì)的恒流源驅(qū)動(dòng)Pt100高精度溫度測(cè)量電路利用LTC2492 A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣，將信號(hào)傳送給ATMEGA32單片機(jī)，單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并保存和顯示數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，該電路溫度測(cè)量的精度和穩(wěn)定性均可以達(dá)到5‰之內(nèi)，與理論值一致。恒流源驅(qū)動(dòng)Pt100高精度溫度測(cè)量電路通過采樣溫度穩(wěn)定系數(shù)高的高精密電阻的電壓和鉑電阻電壓的比值，消除了恒流源由于溫度漂移等因素影響的電流變化，使得輸出電壓比值與鉑電阻成良好的線性關(guān)系。
溫度作為表征物體冷熱程度的物理量，與很多物理現(xiàn)象和化學(xué)性質(zhì)有關(guān)。不同的領(lǐng)域?qū)囟葴y(cè)量精度要求各不相同，某些工藝對(duì)控溫精度要求很高，尤其是一些精密設(shè)備逐漸應(yīng)用到我們的生產(chǎn)生活中，如光刻機(jī)、超精密器件加工、色譜儀等。然而，目前某些設(shè)備中，出于技術(shù)難度、儀器體積和應(yīng)用成本的考慮，一般僅僅配置由熱敏電阻或集成型數(shù)字測(cè)溫芯片構(gòu)成的測(cè)溫探頭，其測(cè)量精度只能達(dá)到0.1-0.2℃，無法滿足測(cè)量的需求。工業(yè)上溫度的檢測(cè)方法有多種，常用的有熱電阻、熱電偶、PN結(jié)型及石英諧振型等，目前在高精度測(cè)量中，全球范圍內(nèi)大多使用標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)。例如：美國(guó)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室采用標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)對(duì)納米測(cè)試裝置的工作腔進(jìn)行測(cè)試，其測(cè)試精度為0.001℃，但是測(cè)溫系統(tǒng)復(fù)雜、價(jià)格昂貴。針對(duì)生物制藥、精密加工、科研實(shí)驗(yàn)等領(lǐng)域的溫度精密測(cè)量，本文對(duì)恒流源驅(qū)動(dòng)四線制高精度溫度測(cè)量電路原理進(jìn)行了分析、研究和設(shè)計(jì)，并分析了測(cè)量精度和穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種滿足高精度測(cè)量溫度的電路。
1、Pt100高精度溫度測(cè)量電路設(shè)計(jì)
鉑電阻不僅具有測(cè)溫精度高、準(zhǔn)確度高、靈敏度高、測(cè)溫性能好、耐氧化、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，而且在溫度非常高的環(huán)境下性質(zhì)都很穩(wěn)定。因此，標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)被國(guó)標(biāo)ITS-90規(guī)定為基準(zhǔn)測(cè)溫儀器，目前市場(chǎng)上已出現(xiàn)的Pt系列測(cè)溫?zé)犭娮栌蠵t100、Pt10、Pt100、Pt200等傳感器。Pt100鉑電阻測(cè)溫范圍在-200~850℃之間，允許通過不高于5mA的電流，它的非線性偏差不超過0.5℃，最小置入深度不能小于200mm，其分辨率可達(dá)1mK。所以，當(dāng)溫度變化范圍在-200~850℃之間時(shí)，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)環(huán)境溫度的測(cè)量精度要求，即溫度測(cè)量精度可以達(dá)到該電路的設(shè)計(jì)理論值1‰。
當(dāng)鉑電阻被放置的環(huán)境溫度在-200~850℃之間變化時(shí)，其所置環(huán)境溫度變化與電阻阻值接近線性的關(guān)系，國(guó)標(biāo)規(guī)定Pt100０鉑電阻在0℃時(shí)，其電阻值R0=100Ω。
①系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)框圖
根據(jù)Pt100高精度溫度測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，具體工作流程如圖1所示。設(shè)計(jì)電路包括單片機(jī)最小系統(tǒng)中央控制模塊、儲(chǔ)存電路、顯示電路、A/D采樣電路、改進(jìn)的四線制恒流源驅(qū)動(dòng)電路、電源電路和Pt100鉑電阻溫度傳感器。其中單片機(jī)微處理器選擇的是ATMEGA32，A/D轉(zhuǎn)換器選用的是24位的LTC2492，溫度傳感器選用的是Pt100鉑電阻。
圖1 高精度溫度測(cè)量系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)框圖
Pt100高精度溫度測(cè)量系統(tǒng)采用Pt100鉑電阻溫度傳感器，通過恒流源電路作為驅(qū)動(dòng)電路，恒流源本身電阻無限大，具有不受溫度變化影響的特點(diǎn)，從而被廣泛應(yīng)用于電路的設(shè)計(jì)之中，其主要作用是為所設(shè)計(jì)的電路提供一個(gè)不隨負(fù)載變化而變化的恒定電流。在高精度測(cè)溫電路中需要準(zhǔn)確地測(cè)得鉑電阻阻值的變化情況，以便可以將阻值變化轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，從而轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，獲得待測(cè)環(huán)境的溫度。恒流源是準(zhǔn)確測(cè)得鉑電阻阻值的前提條件。將與溫度有關(guān)的電阻信號(hào)變換成能被A/D轉(zhuǎn)換器接受的電壓信號(hào)。運(yùn)用恒流源電路，使得輸出電壓與電阻成良好的線性關(guān)系，解決單片機(jī)處理的電壓信號(hào)的非線性變化問題。
②Pt100高精度溫度測(cè)量電路設(shè)計(jì)
Pt100四線制接線是指鉑電阻的兩側(cè)分別接引兩根導(dǎo)線，是一種高精度的測(cè)溫方法。它在Pt100二線制接線方法上分別外接一根A/D采樣補(bǔ)償線和一根A/D對(duì)地補(bǔ)償線。其中鉑電阻一端的導(dǎo)線將鉑電阻的變化轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，其他兩條導(dǎo)線將電信號(hào)傳送到信號(hào)處理器。這樣的接線方式將引線電阻的影響完全消減，可用于精度高、距離遠(yuǎn)的場(chǎng)所。同時(shí)注意將恒流源輸出的電流控制在5mA以內(nèi)，避免電流過大導(dǎo)致鉑電阻過熱而給測(cè)量帶來誤差。普通四線制恒流源驅(qū)動(dòng)Pt100測(cè)溫系統(tǒng)受溫度電流漂移等影響，溫度測(cè)量準(zhǔn)確率較低，很難超過0.1℃量級(jí)，因此，本文采用的是改進(jìn)后的四線制接線法，以保證測(cè)量的精度和穩(wěn)定度。具體Pt100高精度溫度測(cè)量電路設(shè)計(jì)如圖2所示。
圖2 改進(jìn)的四線制Pt100恒流源驅(qū)動(dòng)溫度測(cè)量電路原理圖
圖2中X1、X2、X3、X4分別為鉑電阻傳感器的四根引線的等效電阻。以R4電阻的電壓值做為基準(zhǔn)電壓，在本設(shè)計(jì)中R4取值為500Ω，基準(zhǔn)參考電壓、恒流源的設(shè)計(jì)嚴(yán)重影響著電路的的測(cè)量精度和穩(wěn)定度。基準(zhǔn)參考電壓VRef是否穩(wěn)定且低溫漂是保證本文中高精度測(cè)溫的重要前提。以三極管8550構(gòu)成的鏡像電流源來減小外界干擾，避免誤差。在此基礎(chǔ)上串聯(lián)高精密電阻R0，此高精密電阻的溫度變化系數(shù)為1ppm，即溫度變化1℃其電阻值變化為10-6 Ω，本設(shè)計(jì)中R0取值為100Ω。
根據(jù)電子線路理論，Pt100鉑電阻溫度傳感器的電流I為
基準(zhǔn)參考電壓VRef為VRef=I×R4； Pt100鉑電阻的電壓為VPt100=I×RPt100；精密電阻R0的電壓為VR0=I×R0
最終采取獲得Pt100鉑電阻的電壓和精密電阻R0的電壓二者電壓的比值，即
從而消除了恒流源由于溫度漂移等因素影響的電流變化，使得輸出電壓比值與鉑電阻成良好的線性關(guān)系。將得到的電壓信號(hào)通過24位A/D轉(zhuǎn)換器LTC2492進(jìn)行采樣，然后將信號(hào)傳送給ATMEGA3232單片機(jī)，單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并保存和顯示數(shù)據(jù)。該電路的溫度測(cè)量的穩(wěn)定性可以達(dá)到1‰。
2、恒流源驅(qū)動(dòng)Pt100高精度溫度測(cè)量電路設(shè)計(jì)結(jié)果與分析
根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)流程框圖和設(shè)計(jì)電路，高精度溫度測(cè)量系統(tǒng)電路測(cè)試驗(yàn)證通過改變電位器的阻值來模擬鉑電阻溫度傳感器測(cè)試，利用福祿克5?多用表8808A測(cè)量電位器的阻值進(jìn)行測(cè)量標(biāo)定。取部分測(cè)量數(shù)據(jù)作為測(cè)量?jī)x測(cè)量Pt100的標(biāo)準(zhǔn)值，如表1第1列所示；第2-第4列分別為參考電壓值、精密電阻R0的電壓值V100和Pt100的電壓值VPt100；最后1列為Pt100的測(cè)量計(jì)算值。
表1 高精度溫度測(cè)量電路測(cè)量數(shù)據(jù)
Pt100/Ω VRef/V V100/mV VPt100/mV 測(cè)量值/Ω
90.033 1.11871 214.34 192.92 90.0263
95.007 1.11864 214.59 203.83 95.0067
100.026 1.11846 214.08 214.09 100.0267
105.434 1.11846 214.22 225.80 105.4288
109.910 1.11848 214.24 235.43 109.9150
115.161 1.11848 214.25 246.69 115.1665
120.011 1.11855 214.16 256.94 120.0021
125.078 1.11894 214.22 267.88 125.0765
129.760 1.11847 214.23 277.91 129.7536
134.820 1.11847 214.27 288.81 134.8175
根據(jù)表1系統(tǒng)測(cè)量采樣數(shù)據(jù)，通過可計(jì)算鉑電阻傳感器的阻值，再通過下面公式求解出溫度測(cè)量值。經(jīng)過數(shù)據(jù)計(jì)算，數(shù)據(jù)平均相對(duì)誤差為1.1‰，其中最大相對(duì)誤差為4‰。
說明：公式中At為t℃時(shí)鉑電阻的電阻值，R0為0℃時(shí)鉑電阻的電阻值，A、B、C為系數(shù)，其中A=3.9082×10-3，B=-5.80195，C=-4.2735×10-12。
對(duì)恒流源驅(qū)動(dòng)四線制Pt100高精度溫度測(cè)量電路原理進(jìn)行了分析，設(shè)計(jì)了一種滿足高精度測(cè)量溫度的電路。選用Pt100鉑電阻，改進(jìn)了恒流源驅(qū)動(dòng)四線制高精度溫度測(cè)量電路，通過采樣溫度穩(wěn)定系數(shù)高的高精密電阻和鉑電阻電壓的比值，消除了恒流源由于溫度漂移等因素影響的電流變化，使得輸出電壓比值與鉑電阻成良好的線性關(guān)系。利用LTC2492 A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣，將信號(hào)傳送給ATMEGA32單片機(jī)，單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并保存和顯示數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，數(shù)據(jù)平均相對(duì)誤差為1.1‰，其中最大相對(duì)誤差為4‰。該電路的溫度測(cè)量精度和溫度測(cè)量的穩(wěn)定性為實(shí)際應(yīng)用提供參考。
作者：顧吉林、劉淼、耿楊、湯宏山、王聆語(yǔ)、于月、吳茜
