一Pt100的高精度测温方法.docVIP

一Pt100 的高精度测温方法 1.在工业生产过程中，温度一直都是一个很重要的物理参数，温度的检测和控制直接和安 全生产、产品质量、生产效率、节约能源等重大技术经济指标相联系，因此在国民经济的各 个领域中都受到了人们的普遍重视。温度检测类仪表作为温度测量工具，也因此得到广泛应 用。 由于传统的温度测量仪器响应慢、精度低、可靠性差、效率低下，已经不能适应高速发 展的现代化工业。随着传感器技术和电子测量技术的迅猛发展，以单片机为主的嵌入式系统 已广泛应用于工业现场，新型的电子测温仪器不仅操作简单，而且精度比传统仪器有很大提 高。目前在工业生产现场使用最广泛的温度传感器主要有热电偶和热电阻，例如铂热电阻 Pt100就是使用最广泛的传感器之一。 2. Pt100 的特性 铂电阻是用很细的铂丝(Ф0.03～0.07mm)绕在云母支架上制成，是国际公认的高精度测 温标准传感器。因为铂电阻在氧化性介质中，甚至高温下其物理、化学性质都非常稳定，因 此它具有精度高、稳定性好、性能可靠的特点。因此铂电阻在中温(-200～650℃)范围内得到 广泛应用。目前市场上已有用金属铂制作成的标准测温热电阻，如Pt100、Pt500、Pt1000等。 它的电阻—温度关系的线性度非常好，如图1所示是其电阻—温度关系曲线，在-200～650℃ 温度范围内线性度已经非常接近直线。 铂电阻阻值与温度的关系可以近似用下式表示： 在0～650℃范围内： Rt =R0 (1+At+Bt2) 在-190～0℃范围内： Rt =R0 (1+At+Bt2+C(t-100)t3) 式中A、B、C 为常数， A=3.96847×10-3； B=-5.847×10-7； C=-4.22×10-12； 图1 Pt100 的电阻—温度关系曲线 Rt 为温度为t 时的电阻值；R0 为温度为0℃时的电阻值，以Pt100 为例，这种型号的铂 热电阻，R0 就等于100Ω，即环境温度等于0 度的时候，Pt100 的阻值就是100Ω。当温度变化的时候，Pt100 的电阻也随之变化，通过以上电阻-温度表达式便可以计算出相对应的温度。 在实际应用中，一般使用单片机来进行温度的计算，由于该表达式比较复杂，用单片机处理 这样的计算过程，将会占用大量的资源，程序的编写上也相当复杂，所以一般采用先查表， 再插值的方法换算出温度。 3. Pt100 测温原理 Pt100 是电阻式温度传感器，测温的本质其实是测量传感器的电阻，通常是将电阻的变 化转换成电压或电流等模拟信号，再将模拟信号转换成数字信号，再由处理器换算出相应温 度。采用Pt100 测量温度一般有两种方案： 1.设计一个恒流源通过Pt100 热电阻，通过检测Pt100 上电压的变化来换算出温度； 2.采用惠斯顿电桥，电桥的四个电阻中三个是恒定的，另一个用Pt100 热电阻，当Pt100 电阻值变化时，测试端产生一个电势差，由此电势差换算出温度。 两种方案的区别只在于信号获取电路的不同，其原理上基本一致，如图2 所示。 图2 Pt100 测温原理 如图3 所示，是以华邦的78E51 单片机为处理器，采用恒流源为信号获取电路的测温 方案，恒流源通过Pt100 热电阻，温度变化引起Pt100 电阻值的变化，从引起电压的变化， 放大后经AD 采用后，送由单片机处理，换算出相应温度。为了达到高精度、宽量程的测温 要求，选用的是AD 转换芯片是12 位串行AD 芯片MAX1270。 图3 采用恒流源的Pt100 测温方案 4. 提高Pt100 测温精度的方案 4.1 通过改善Pt100 接线方式对误差进行补偿 铂热电阻的使用，一般有三种接法，分别是二线制接法、三线制接法和四线制接法,如图4 所示，不同的接法适应于不同的精度要不求。 1.二线制接法：如图4(a)所示，这种接法不考虑Pt100 电缆的导线电阻，将A/D 采样端 与电流源的正极输出端接在一起，这种接法由于没有考虑测温电缆的电阻，因此只能适用于 测温距离较近的场合。 2.三线制接法：如图4(b)所示,这种接法增加了用于A/D 采样的补偿线，三线制接法消 除了连接导线电阻引起的测量误差，这种接法适用于中等测温距离的场合。 3.四线制接法：如图4(c)所示，这种接法不仅增加了A/D 采样补偿线，还加了一条A/D 对地的补偿线，这样可以近一步的减小测量误差，可以用于测温距离较远的场合。 如果只从精度上考虑，采用四线制接法效果最好。 4.2 通过对采样信号进行滤波减小随机误差 由于外界干扰或某些不可预知的因素，模拟量在受到干扰后，经A/D 转换后的结果偏 离了真实值，可能会出现一些随机的误差，如果只采样一次，无法确定结果是否可信。必须 通过多次采样得到一个A/D 转换的数据序列，通过软件算法处理后才能得到一个