一种精密的热电阻测温方法.pdf

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1、一 种 精 密 的 热 电 阻 测 温 方 法 An Ac c u r a t e M e t h o d f o r T e mp e r a t u r e M e a s u r e me n t wi t h Th e r m a l Re s i s t a n c e 吉林 t m学院 自动化系 梁伟 摘要： 本文介绍了一种采用恒压分压法精密测量三线制热电阻阻值的方法，对于P t l 0 0热电阻，检测分辨丰 可 以遗到 0 ： 0 0 5 同时采用计算的方法，能够使 获博 的温度 准确度 速到 0 0 5 。 c 关键词： 恒压：三线制；热电阻：精度 引言 温度参数是目前工业生产

2、中最常用的生产过程参数 之一， 对温度的测量虽然有许多不同的方法 怛热电阻凭 借其优良的特性成为 目前工业上温度测量中应用最广泛 普遍的传感元件之一。 由于金属铂优良的物理特性， 使它 成为制造热电阻的首选材料。它能罅制造成体积微小的 薄膜形式，或者缠绕在陶瓷和云母基板上制造出高稳定 性的温度传感器，能啦适应各种复杂的删温场合。一般 在一 2 0 0 至+ 4 0 0 的温度范围内， P t l O 0 热电阻温度传感 器是首选测温元件。 目前在各种检验设备中 如各种检验用恒温槽 ， 都 要求设备能够提供高精度的温度指示，这就要求作到 对温 度的高精度测量 。又如，在 配置 P t l 0 0

3、 热 电阻传感器的智能型二线制一 体化温度变送器中，也要求对温度有 高精度的测量 ，这样才能够保证变送 器在垒量程范围内的高精度。为 了消 除导线电阻对测量的影响 ，在实验室 和工业应用 中，都是采用三线制引线 接法来消除导线电阻影响的。本 文介 绍的就是一种精密测量三线制热 电阻 阻值的方案，同时提供 了高精度的温度转换方法。 三线制热 电阻阻值检测 电路 图1 是一个采用恒压分压法精密测量三线制热电阻 阻值的检测电路，实际是一个高精度温度变送器的检测 部分。 它采用A D 7 7 0 5 作为模数转换器， 系统控制C P U采 l =H P 8 7 L P C 7 6 4 ，整体系统是一个

4、低功耗系统 图 1 中 ，电阻体 R T接成 了三线制 ，R L为三根导线 电阻 一般每根导线电阻在5 n之内 电阻体与测量电路 以A B、C三点连接，实际上是与电阻R构成了对电压 V 一的分压电路。 一般情况下， 为避免驱动电流导致电阻 俸发热 f 起测量误差 ，电流应 该小于 3 m A，这里 笔者通 藿 萤 基 罨 蓬 注：v 髓F = 1 2 3 v 由 2 8 E t 2 挺供。 圈 t 三线斜热电阻阻值检测电路 蕾文2 0 ( ) 3 年 3月7日收到。果伟：副教授 研 宄方向琦检疆 4 艟木噩智能仪嚣。 T 2 2 0 0 3 8 ， 上半月-量号矗品t景 ， w e e p w

5、 c o rn c n 一 一 维普资讯 http:/ 能够通过计算的方法得 I R T ， 从而求得实际温度。 V 和 V 的检测由A D 7 7 0 5 完成，它是一个具有双输入通道， 1 6 位的一 A D转换器，输入带有可编程放大器，这 里采用了8 倍增益， 通道1 检测V ， 通道2 检测V 。 参 见图1 ， 很容易可以获得如下的关于V 和V 的关系式 1 和2 ， 它们实际上是以R T 和R L 为未知数的二元一次方 程， 很容易求解出R T ， 即式3 。 VA B = VR E F R L ( R + R T + 2 R L ) ( 1 ) VA c = VR F F ( R

6、 T + 2 R L ) ( R+ R T + 2 R L ) ( 2 ) R T = R ( VA C - 2 V A B ) ( VR E F - V A c ) ( 3 ) 获得了R T ， 就可以间接推算出实际测量的温度，由 于传感器是非线性的， 一般传统的方法经常采用查表、 折 线等方法来计算温度，但是这些方法在有限的表格空间 下都难于得到高精度， 仅适用于精度要求不高的工业场 合。如果采用国标中给出的R t ( t ) 函数公式加试差法推导 温度值， 能够获得极高精度， 但是在以往的计算机处理方 法中由 于考虑到程序的复杂性， 一般都回避采用浮点计 算方法， 不过目 前的C 5 1

7、 编译器已经具有极高的效率， 同 时， 程序存储空间也不是问题， 因此笔者采用了这种高精 度的计算方法， 下面是计算R T 及测量温度的一个c 5 1 函 数，它采用的检测对象是符合 I E c 7 5 1标准， T R C = 0 0 0 3 8 5 1 的P t l O 0 热电阻。 p r o c e s s t O 测量温度求解函数，已知R ， V R E F * d a t a flo a t v a c ， v a b ， r t ， r t l ， t ； v a c = a d p r o ( 1 ) ； v a b = a d _p r o ( 2 ) ； A D转换获得V

8、A B和V A C * r t l = r 木 ( v a c 一 2 木 v a b ) ( v r e f _ v a c ) ； 计算出热电阻当前值 r t = l u b o ( r t 1 ) ； 滑动加权滤波 t = ( r t 一 1 o o ) o 3 6 ； 首先按照4 0 0 度量程线性估计当前温度 d o 采用试差法循环计算，刚才估计的t 做初始值 i R r t 0 0 0 5 ) l l ( r t l r t ) 0 0 0 5 ) ； 计算余差最终小于0 0 0 5 欧 r e t u m( t ) 试差结束， 返回浮点数温度值 R及 V 的校准 上面求解测量温度

9、的过程中 是把R 和V 一都作为已 知参数来处理的， 表面上看， 它们都是有标称值的， 不过 它们的标称值都是有误差的。其中R为高稳定性的金属 膜电阻， 它的精度为0 1 ， V 取自L M2 8 5 ， 它的出 厂 稳定值范围为 1 2 3 50 0 1 V，这样的误差对于高精度测 量是不允许的，解决的办法就是对它们进行校准。 解决这个校准问题也不复杂， 需要使用两个不同电 阻值的模拟电阻来进行两次测量， 然后求解出R和V 模拟的电阻可以使用高精度电阻箱。例如第一次接人 R l = 1 0 0 fl， 第二次接人R 2 = 2 0 0 f ， 会得到如下的关系式4 、 5 、6 、 7 ，

10、根据它们， 可以求解出关系 式8 、 9 、1 0 ， 从而 获得校准后的R 和V ， 然后把获得的校准值存人系统的 E E P R O M，就可以作为正式测量R T 时的已知参数了。 V A B 1 V R E F * R L ( R+ RI + 2 R L ) ( 4 ) V删= VR E F ： ( Rl + 2 R L ) ( R + R1 + 2 R L ) ( 5 ) V 删 ： VR F F RL ( R + R 2 + 2 R L ) ( 6 ) V - VR E F ：g ( R 2 + 2 R L ) ( R + R2 + 2 R L ) ( 7 ) RL -= V ABI

11、* R1 ( VAC1 2 V A R 1 ) ( 8 ) R=( V ， 木( R 2+2木R L)木( R 1+2木R L) 一 R L V ( R2 + 2 R L ) ) ( R L V A C 2 - V A m* ( R2 + 2 R L ) ) ( 9 ) VR E F = VA c l ( R + RI + 2 R L ) ( RI + 2 R L ) ( 1 0 ) 下面是校准过程的C 5 1 程序，系统通过串行口发送 两次校准命令完成校准。 v o i d j i a o z h u n ( ) R ， V R E F 校准函数 w w w e e p w t o m c

12、n量子崖品 t 累2 0 0 3 8 上 半 月 7 3 维普资讯 http:/ i ff c o m m f l a g = = 1 )， 丰 每收到一次命令处理一次 ( c om m fl a g = 0 ； ， 丰 首先清除通讯标志 s w i t c h ( c o m m d a t ) 根据发来的命令具体操作 c a s e O： 校准小量程 ， 然后必须校准大量程 v a cl =a d p r o ( 1 ) ； * RI = l 0 0 ； 校准电阻= l 0 o 欧 v =a d p r o ( 1 ) ； v a c l = ( v a c l + v ) 2 ； ， 丰

13、 求两次采样平均值 v a b1 =a d _p r o ( 2 ) ； ， 术 导线压降 v = a d p r o ( 2 ) ； v a b l = ( v a b l + v ) 2 ： r l = v a b l R1 ( v a c 1 2 v a b 1 1 ： b r e a k； c a s e l ： 校准大量程 ， 之前必须基准小量程 v a c 2 =a d _p r o ( 1 ) ； ， 术 R 2 = 2 0 0 ； 校准电阻= 2 0 0 欧 v = a d p r o ( 1 ) ： v =a d _一p r o ( 2 ) ： v a b 2 = ( v a

14、 b 2 + v ) 2 ； r = ( v a b 1 ( R2 + 2 r 1 ) f R 1 + 2 r 1 ) r l v a c 2 ( R 2 + 2 r 1 ) ) ( r l v a c 2 一 v r l 1 ( R2 + 2 r 1 ) ) ； v r e f = v a c 1 ( r + R 1 + 2 r 1 ) ( R1 + 2 r 1 ) ； e e p r o m ( r ， v r e f ) ； 写入 E E P R O M b r e a k ； d e f a u h： b r e a k ； 结语 实验测试结果表明，本设计达到了预计要求，采用 本方法设

15、计的二线制温度变送器已经形成产品并大量应 用于工业现场。本文提出的检测和计算方法对于使用铂 热电阻传感器的精密测温设备的设计具有一定的借鉴和 参考价值。 参考文献： l 新编电子电路大全 r第4卷，测量与传感电路， 北京中国计量出版社 2 0 0 1 I 薹 l 到l o 0 美 元 之 间 ， 预 计 5 年 之 内 将 降 到 1 美 元 左右。 如何对这些极小的微型机械进行供电是当前设计者 们所面临的一个棘手难题。当前这些系统的测试或应用 都要靠微型电池供电。 比较理想的情况是， 未来能随意部 署这些无线微尘器件， 而无电能之忧。 如把这些微型传感 器插在墙上通电工作，那就与传感器自动独

16、立的工作目 标大相径庭了。 突破 目前，部分研究者们致力于开发所谓的低功耗专用 布线协议( 1 o w p o w e r a d h o c r o u t i n g p r o t o c o l s ) ，以便能用 最少的能量实现微尘之间的信息传输。 过去两年里， 加州 大学伯克利分校、麻省理工学院和加州大学已经开始对 7 4 2 0 0 3 ， 8 上 半 月雷孑崖品 t 幂 W W W e e p w c o m c n 这样的能源供给问题展开了研究。 现在还没有找到一个一揽子解决方案，但近期内无 线智能微尘的供电和尺寸两个问题都可望有所突破。在 尺寸方面，两年内有可能把几个功能半导体集成到一个 半导体上。 至于供电问题， 加州大学伯克利分校S h a d R o u n d y 研 究的燃料电池可延长智能微尘器件的工作时间。该燃料 电池可以吸收周围工业机械设备振动时所产生的能量， 或者从低度光源收集能量， 这种技术有望在5 年内有所突 破。 研究人员和商业开发者们都渴望智能微尘技术能积 极推广应用， 但也谨慎地指出， 设计问题和供电问题需要 尽快解决。 技术尚未臻成熟， 广泛应用估计还需要几年时 间。 ( 庸龙编译 自C W 0 3 3 2 4 ) 维普资讯 http:/