铂电阻温度传感器实现线性测温方案的研究郝桂青，等 铂电阻温度传感器实现线性测温方案的研究 Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｉｎｇ Ｌｉｎｅａ ｒ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｗｉｔｈ ＰＩａｔｉｎｕｍ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｓｅｎｓｏｒ 郝德昔 李健飞 （中海油田服务股份有限公司，北京１０１１４９） 摘要：针对普通测温方法存在测温误差大、精确度低等缺陷，分析了铂电阻ｈｌ００温度传感器的非线性，研究了线性化测温的实现 方法，并设计了采用低温漂恒流源式非线性补偿的电路和温度测量的方案。试验证明，该测量方法可使测量精度提高到±０．０６ Ｋ；且 该方案所采用的电路简洁，具有测量精度高和可靠性高的特点，可在温度的精确测量中得到广泛应用。 关键词：温度传感器中图分类号：ＴＨＳｌ８ 恒流源线性校正仪表放大器非线性微处理器 文献标志码：Ａ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｉｍｉｎｇ ａｔ ｔｈｅ ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ｏｒｄｉｎａｒｙ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄｓ，ｉ．ｅ．，ｌｏｗ ａｃｃｕｒａｃｙ ａｎｄ ｌａｒｇｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｅｌＴｏｒ，ｔｈｅ ｎｏｎ—ｌｉｎｅａｒｉｔｙ ｏｆ Ｐｔｌ００ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｓｅｎｓｏｒ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｌｉｎｅａｒ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｉｓ ｓｔｕｄｉｅｄ．Ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅ— ｍｅｎｔ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｂｙ ａｄｏｐｔｉｎｇ ｌｏｗ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｄｒｉｔ ｃｏｎｓｔａｎｔｆ ｃｕｒｒｅｎｔ ｓｏｕｒｃｅ ａｎｄ ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ｃｉｒｃｕｉｔ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｅ ｔｅｓｔｓ ｖｅｒｉｆｙ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ ｅｎｈａｎｃｅｓ ｔｈｅ ａｃｃｕｒａｃｙ ｔｏ±０．０６ Ｋ，ａｎｄ ｔｈｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｉｓ ｓｉｍｐｌｅ ａｎｄ ｒｅｌｉａｂｌｅ，ｉｔ ｃａｎ ｂｅ ｗｉｄｅｌｙ ｕｓｅｄ ｉｎ ｐｒｅｃｉｓｅ ｔｅｒｎ— ｐｅｒａｔｕｒｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｓｅｎｓｏｒ Ｃｏｎｓｔａｎｔ ｃｕｒｒｅｎｔ ｓｏｕｒｃｅ Ｌｉｎｅａｒ ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ Ｎｏｎ—ｌｉｎｅａｒｉｔｙ Ｍｉｃｒｏｐｒｏｃｅｓｓｏｒ Ｏ 引言 铂热电阻已被公认是温度敏感元件中准确度和重 数Ｒ（ｔ）表示 ，即：Ｒ（ｔ）＝Ｒ。（１＋ 十Ｂｔ ），其中Ｒ 、 分别为ｔ ｏＣ和０℃时的铂电阻阻值，Ａ＝３．９０８ ０２ Ｘ １０ ／℃，Ｂ＝一５．８０１ ９５×１０。／￣Ｃ ，Ｐｔｌ００的非线性 特性曲线如图１所示。Ｒ（ｔ）函数是一开口向下的抛 复性好的传感器。它具有测温范围大、稳定性好、示值 复现性高和耐氧化等特点，常被用作国际标准温度计， 物线 ］。其中曲线①为ＰｔＩＯ０特性曲线，曲线②为线 性化的理想直线。 并应用于各种测温场合。在智能温度检测中，温度测 量电路的典型用法是前端采用不平衡电桥测量铂电阻 随温度变化的毫伏信号输出，再经过放大和Ａ／Ｄ转 换，传送到单片机中进行运算和处理。但在这种检测 电路中，由于不平衡电桥的非线性特性以及铂电阻的 阻值和温度之间的非线性特性（在高温端尤其严重）， 给最后的温度测量带来了很大的误差。本方案采用恒 流源替代不平衡电桥，对传统的电路进行校正补偿，有 效地解决了铂电阻和不平衡电桥的非线性误差问题， 提高了测温精度。 图１ ＰｔｌＯ０的非线性特性曲线 Ｆｉｇ．１ Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｃｕｒｖｅ ｏｆ ＰｔｌＯ０ 由图１可以看出，在０～６５０ ｃｃ测温范围内存在非 线性项Ｂ ，且为负值，因而电阻的变化率随着温度的 １铂电阻Ｐｔｌ００的电阻特性 按照国际电工委员会的铂热电阻技术标准，铂电 阻Ｐｔｌ００在０～６５０ ｏＣ范围内温度一电阻关系可采用函 升高而下降。经理论计算，ＰｔｌＯ０在０～５００℃区间的 非线性误差为１．２９０ ９４％；在０～１００ ｏＣ的非线性误差 为０．１％；特别是在２５０ ｏＣ时铂电阻的非线性误差最 大，达４％左右。所以在靠标定点的０～１００℃小范围 修改稿收到日期：２０１１一Ｏｌ一１１。 测温时，可以按线性处理。在测量范围大时，铂电阻的 非线性越来越严重，已不能适应高精度测量的要求。 因此，必须对其作线性化处理。 ＰＲＯＣＥＳＳ ＡＵＴＯＭＡＴＩＯＮ ＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴＡＴＩＯＮ Ｖｏｋ ３２ Ｎｏ．１１ Ｎｏｖｅｍｂｅｒ ２０１１ 第一作者郝桂青，女，１９７２年生，１９９６年毕业于江汉石油学院物探 系，获学士学位，工程师；主要从事井下石油测井仪器方面的开发与研究 工作。 ８４ 铂电阻温度传感器实现线性测温方案的研究郝桂青。等 ２线性测温方案的研究 阻的自热效应会影响测试准确度，所以，在此选用精密 电压源和精密电阻器来得到１ ｍＡ精密电流源…，恒 ２．１常规的测温方法 流源式温度信号采集电路如图３所示 。 由ＰｔｌＯ０构成信号的获取电路常用的方法有两 种，一种是十分常见的单臂桥电路，另一种是运用恒流 源电路，电路结构如图２所示 。 （ａ）单臂桥式 Ｃｏ）恒流源式 图２ 电路结构 图３ 恒流源式温度采集电路 Ｆｉｇ．２ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｃｉｒｃｕｉｔｓ Ｆｉｇ．３ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｃｉｒｃｕｉｔ ｂａｓｅｄ 单臂桥有结构简单、动态特性良好等特点，在温度 ｏｎ ｃｏｎｓｔａｎｔ ｃｕｒｒｅｎｔ ｓｏｕｒｃｅ 检测中得到了极为广泛的应用，但当Ｒ ＝Ｒ。＝Ｒ时， 图３中，精密电压源为低功率、低漂移、精密电压 ＡＵ＝０，当被测温度改变时，桥臂温度铂电阻Ｒ．相应 基准ＬＭ１３６—２．５，外加调整电路， 电压可调整为 变为： ２．５ Ｖ参考电源。由于运放虚地的结果，造成仪表放大 Ｒ ＝Ｒ０＋ＡＲ （１） 器ＡＤ６２７的反相输入端为０ Ｖ ，且运放的输入阻抗 则经推导可得电桥的输出电压为： 极高，输入端可以认为不吸入电流，因此，从１．５ ｋＱ电 １ ＡＲ 阻上流过的电流大小固定且等于ＡＤ６２７输出端流入 × （２） ＰｔｌＯ０铂热电阻温度传感器的电流，从而达到恒流的 １＋ 效果。连接Ｐｔｌ００两端的压差正好反映温度变化的信 式中：ＡＵ为电桥输出电压；Ｒ为桥臂电阻；ＡＲ 为温度 号送人后级的仪表放大器ＡＤ６２７进行放大处理。 变化时Ｐｔｌ００的电阻变化值。 Ｒ 、ｕ 、Ｕ 的精度及温度稳定性直接影响恒流的 式（２）中存在着桥臂电阻Ｒ 和电桥输出电压ＡＵ 效果。因此，为达到良好的恒流效果，选用０．０１％的 之间的非线性问题。由以上公式可知，产生不平衡电 温漂小的电阻和稳定性高的参考电源；输入阻抗选择 桥非线性的根本原因是当 发生变化时，Ｒ 侧桥臂上 高输入阻抗ＡＤ６２７，从而提高电路的稳定性和精度。 的电流Ｌ也发生了相应的变化。从而可以推算出，当 ２．２．２ 线性化测温的实现方法 ＡＲ ／Ｒ：１０％时，输出电压非线性误差可达６％，显然 温度测量系统是将来自现场传感器的信号经过采 也不能适应高精度的测量要求。 集放大后，送到微处理器的Ａ／Ｄ通道进行Ａ／Ｄ转化 恒流源电流通过温度传感器时，温度传感器两端 处理并显示在液晶显示器上。线性测温仪原理框图如 的电压即反映温度的变化。如果该侧电流由恒流源提 图４所示。 供，那么不平衡电桥非线性问题就能得到解决；且由于 恒流源的作用，使得电压输出与电阻呈良好的线性关 系，因此，恒流源式可以解决温度测量中铂电阻非线性 的问题。 ２．２线性化测温方案的实现 ２．２．１ 恒流源式温度采集电路的设计 高准确度恒流源无疑是决定测温准确度的关键因 图４线性测温仪原理结构框图 素，尽可能少的分立元件，无疑会减少分布参数的影 Ｆｉｇ．４ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｌｉｎｅａｒ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｉｎｓｔｎｍ￣ｎｔ 响。因为电流过小，将降低信噪比；而电流过大，铂电 测温系统主要包括构成智能测量系统核心的微处 《自动化仪表》第３２卷第１１期２０１１年ｌ１月 ８５ 铂电阻温度传感器实现线性测温方案的研究郝桂青，等 理器ＣＰＵ 、检测温度的Ｐｔｌ００温度传感器、信号的采 要对该测温电路进行标定。测温系统测温范围设计为 集放大电路（恒流源电路、偏置放大电路）、输出显示 ｔ＝０～３５０℃，则对应的铂电阻Ｐｔｌ００阻值Ｒ ＝ 单元、温度控制执行机构和电源供电电路。其中，ＣＰＵ １００～２３１ Ｑ，ＡＲ＝０～１３１．７３ Ｑ，标定时可调节放大电 可采用ＡＤＩ公司生产的ＡＤＵＣ８３１微处理器 。该芯 路图３中的Ｐ观。检测ＡＤ６２７的输出电压，使输入 片具有丰富的Ｉ／Ｏ端口；片内有２ ｋＢ ＲＡＭ、６２ ｋＢ ＡＤＵＣ８３１的Ａ／Ｄ端的输入电压为０～５ Ｖ。由于采用 Ｆｌａｓｈ、４ ｋＢ ＥＥＰＲＯＭ；ＳＣＩ、ＳＰＩ、ＰＷＭ和串行接口模块； 的ＡＤＵＣ８３１中的Ａ／Ｄ为ｌ２位的，则Ａ／Ｄ变换器分辩 ８路１２位Ａ／Ｄ模块可用于温度信号等的检测，大大简 率为１／４ ０９６。一个量化单位代表测量电压值５ ０００／ 化了外围电路和软件设计。 ４ ０９６ ｍＶ一１．２２ ｍＶ，一个量化单位的测量电压值折合 采集放大的温度信号经ＡＤＵＣ８３１的ｌ２位Ａ／Ｄ 成一个量化单位的温度值为３５０／４ ０９６＝０．０８５℃。 转化运算后，发送到ＬＣＤ显示器上加以显示 。此 由此可以看出，非线性校正误差的大小主要取决于量 外，微处理器的输出还可以按照实际要求外接一些温 化单位的大小，所以在本方案中，在测温范围ｔ＝０～ 度控制执行元件。这些元件根据温度的变化实现一部 ３５０℃内，测温精度可以达到±０．０４５ Ｋ，达到了高精 分控制，此控制信号由ＣＰＵ根据软件程序经微处理器 度的测量要求。 的ＰＢ口输出执行。 采用该方案进行温度测量，得到的温度试验数据 采用以上方案设计的测温系统进行温度测量，需 如表１所示。 表１温度测量试验数据 Ｔａｂ．１ Ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｄａｔａ ｏｆ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ／℃ 从钡 试结果看，样机最大误差为０．０６ Ｋ。该误差 ［３］卫永琴，高建峰．一种恒流源电路的巧妙设计【Ｊ］．仪器仪表学 的主要来源一方面是基准恒流源引起的漂移误差 ， 报，２００６，２７（８）：１１７０—１１７２． 另一方面是ＣＰＵ进行Ａ／Ｄ转换的精度。 ［４］中国仪器仪表学会．一种高精度恒流源电路的设计与实现［Ｒ］． 仪器仪表学报，２００８，２９（ｚ４）：７２５—７２７． ３结束语 ［５］张志勇，辛长宇，朱玉龙，等．Ｐｔｌ００温度传感器非线性的补偿 方法与电路实现［Ｊ］．电子器件，２００７，３０（６）：１８９—１９０． 该线性化测温系统较好地解决了铂电阻测温电路 ［６］童诗白，华成英．模拟电子技术基础［Ｍ］．北京：高等教育出版 中不平衡电桥的非线性误差问题。经过大量的实验测 社，２００６． 试，其性能稳定可靠，测温误差一直保持在０．１ Ｋ之 ［７］陈德龙，秦会斌．基于ＰｔｌＯ０的电子温度表设计［Ｊ］．杭州电子 内，所以该测量方案测量的温度一致性好、精度高、稳 科技大学学报：自然科学版，２００５（４）：４２—４５． 定性好，可在智能温度检测中广泛应用。 ［８］杨永华．基于ＡＤｕＣ８１２的腐蚀液温度控制系统研制［Ｊ］．嘉应 参考文献 学院学报，２００９（６）：４３—４７． ［１］王化祥，张淑英．传感器原理及应用［Ｍ］．修订版．天津：天津大 ［９］范长胜，李志鹏，郭艳玲．智能液晶显示温度测量系统设计［Ｊ］． 学出版社，１９９９：１５４—１６３． 机电产品开发与创新，２００５，１８（３）：８０—８１． ［２］张萱，闻建静，楼建明．铂电阻测温非线性校正方案［Ｊ］．南昌大 ［１Ｏ］王红萍．铂电阻温度传感器测温研究［Ｊ］．抚顺石油学院学报， 学学报：工科版，２００３（３）：５３—５６． ２００３，２３（２）：１７—１９． 行业信息 利德华福荣获“中国电机系统节能挑战项目”优秀项目奖 ２０１１年１０月１３日，由中国标准化研究院（ＣＮＩＳ）主办、中国节能协会节能服务产业委员会（ＥＭＣＡ）协办的 “电机系统节能技术研讨会暨中国电机系统节能挑战项目”颁奖典礼在北京举行，利德华福荣获“中国电机系统 节能挑战项目”优秀项目奖。 ８６ ＰＲＯＣＥＳＳ ＡＵＴ０ＭＡＴＩＯＮ ＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴＡＴＩＯＮ ＶｏＩ．３２ Ｎ０．１】Ｎｏｖｅｍｂｅｒ ２０１１