鉑電阻Pt100的溫度測量方法

0引言
       溫度是表示物體冷熱程度的物理量,微觀上講是物體分子熱運(yùn)動的劇烈程度。溫度的測量只能通過物體隨溫度變化的某些特性來間接測量,通?？赏ㄟ^測量電阻的變化、頻率的變化或電壓的變化來測量溫度。目前,溫度傳感器主要有熱敏電阻、石英晶體、熱電偶、PN節(jié)和鉑電阻等,而氣象上用于氣溫測量的溫度傳感器主要是鉑電阻Pt100。
       Pt100是正溫度系數(shù)的熱電阻，隨著溫度的升高，電阻的阻值變大。之所以叫做Pt100,是因?yàn)樵?℃時(shí)其電阻阻值為100Ω。Pt100在溫度測量方面得到廣泛應(yīng)用,不僅僅是因?yàn)闇y溫范圍比較寬,更重要的是它的線性度非常好，也就是溫度每升高1℃,其電阻升高的值基本一致，約0.38~0.39Ω對應(yīng)1℃。Pt100電阻測量方法一般可以采用二線制、三線制和四線制方式。
       二線制測量是通過兩根導(dǎo)線與Pt100連接,在.導(dǎo)線兩端加上一個(gè)恒流源I,通過測量導(dǎo)線兩端的電壓Vx,計(jì)算出電阻,間接測得溫度。由于傳感器電阻變化值與連接導(dǎo)線電阻值共同構(gòu)成傳感器的輸出值,導(dǎo)線電阻帶來的附加誤差使實(shí)際測量值偏高。因此,這種方法只能用于對測量精度要求不高的應(yīng)用場合,并且導(dǎo)線的長度不宜過長。
       三線制測量是通過三根導(dǎo)線與Pt100連接，要求引出的三根導(dǎo)線截面積和長度均相同。測量鉑電阻的電路--般是不平衡電橋，鉑電阻作為電橋的一個(gè)橋臂電阻,將一根導(dǎo)線接到電橋的電源端,其余兩根分別接到鉑電阻所在的橋臂及與其相鄰的橋臂上。當(dāng)橋路平衡時(shí),導(dǎo)線電阻的變化對測量結(jié)果沒有任何影響,這樣就消除了導(dǎo)線線路電阻帶來的測量誤差,但是必須為全等臂電橋,否則不可能完全消除導(dǎo)線電阻的影響。采用三線制會大大減小導(dǎo)線電阻帶來的附加誤差,工業(yè)上一般都采用三線制測量。
       四線制測量是用兩條附加導(dǎo)線提供恒定電流，另兩條導(dǎo)線測量Pt100兩端的電壓。在測量電路輸人阻抗足夠高的條件下,測量Pt100兩端電壓的導(dǎo)線上幾乎沒有電流流過,因此這兩段導(dǎo)線上幾乎沒有電壓降,從而消除導(dǎo)線長度對測量帶來的影響。這樣就可以正確測量Pt100上的電壓,計(jì)算得出電，阻值。四線測量主要用于小電阻的長線測量。
1測量方法
       文章主要介紹一種用Pt100鉑電阻進(jìn)行溫度測量方法一一四線制鉑電阻測量方法。此方法是采用單片機(jī)通過AD轉(zhuǎn)換器對Pt100進(jìn)行電阻測量,從而測量出溫度。讓恒流源產(chǎn)生的電流通過，Pt100鉑電阻，溫度變化引起Pt100電阻值的變化,從而引起電壓的變化。將此電壓放大后經(jīng)AD采樣,送由單片機(jī)處理,換算出相應(yīng)溫度。
       四線制電阻的連接方式如圖1所示。從電阻的根部分別引出四根導(dǎo)線,恒流源從一-側(cè)流人[3],同側(cè)線纜連接AD采樣端;另外一側(cè)的兩根線分別連接地和AD采樣端。

       單片機(jī)采用SiliconLaboratoriesIns的C8051F020作為數(shù)據(jù)采集處理單元,AD轉(zhuǎn)換器采用16位的AD7792用于測量Pt100電阻的電壓。AD7792內(nèi)部帶有一個(gè)恒流源,可輸出1mA的恒定電流。AD7792通過SPI接口與單片機(jī)進(jìn)行連接,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速采集。
考慮恒流源的穩(wěn)定性和溫漂等因素,設(shè)計(jì)時(shí)增
       加了兩個(gè)低溫漂標(biāo)準(zhǔn)電阻以及二片雙四選一多路模擬開關(guān),用AD7792分別輪流采集R1、R2和RX的電壓值,如圖2所示。圖中R1和R2為標(biāo)準(zhǔn)電阻,RX為Pt100鉑電阻。由于流經(jīng)兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電阻上的電流為同一個(gè)恒流源產(chǎn)生,可消除電流源.波動以及零點(diǎn)和增益漂移帶來的影響。

       由于外界干擾或某些不可預(yù)知的因素,經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后測得的電壓偏離了真實(shí)值,可能會出現(xiàn)一些隨機(jī)的誤差,如果只采樣1次,無法確定結(jié)果是否可信。為了消除干擾,可采用數(shù)字濾波。即通過多次采樣得到一一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)序列,再通過軟件算法處理后得到一個(gè)高可信度的結(jié)果。
       數(shù)據(jù)濾波方法的選用要視現(xiàn)場環(huán)境和被測對象而定。由于算術(shù)平均濾波不能將明顯的脈沖干擾或粗大誤差消除,只能將其影響削弱,因此在本系統(tǒng)中采用去極值均值濾波。因明顯干擾或粗大誤差使采樣值遠(yuǎn)離其實(shí)際值,可以比較容易地將其剔除,不參與平均值計(jì)算,從而使平均濾波的輸出值更接近真實(shí)值。具體算法如下:連續(xù)采樣n個(gè)電壓值,將其累加求和,同時(shí)找出其中最大值和.最小值,再從累加和中減去最大值和最小值,按n-2個(gè)采樣值求平均，即有效采樣值。
       模擬開關(guān)分別切換到R1、R2和R.上,可采集3個(gè)有效電壓采樣值分別為V1、V2和Vx,根據(jù)對應(yīng)關(guān)系有:

       鉑電阻的電阻值獲得后,還需要轉(zhuǎn)換為溫度值。由Pt100的特性可知,雖然Pt100的線性度比較好,但是由于其溫度一電阻函數(shù)關(guān)系并非完全線性,為了提高測量精度,通常采用查表和線性插值算法進(jìn)行標(biāo)度變換的方法計(jì)算出溫度。此方法不僅運(yùn)算快、占用單片機(jī)內(nèi)部資源少,而且可以一定程度上對Pt100進(jìn)行線性化校正,從而達(dá)到提高精度的測溫效果。
       首先在單片機(jī)的FLASH區(qū)建立一個(gè)電阻一溫度分度表,在測量范圍內(nèi)均勻選擇選取一定數(shù)量的標(biāo)定點(diǎn)。標(biāo)定的點(diǎn)數(shù)越多在一-定程度上其計(jì)算的精度越高,但表格越大,占用的資源越多,計(jì)算的速度越慢?？紤]到單片機(jī)的程序存儲空間和實(shí)際的測量精度要求,我們每隔10℃選取--個(gè)標(biāo)定點(diǎn),見表1所示。.

2數(shù)據(jù)分析
       系統(tǒng)完成后,經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)的水槽進(jìn)行測試,結(jié)果見表2所示。從表2可以看出，所測溫度的最大誤差為0.1℃,可以滿足氣象測量的精度要求。如果對PCB電路板進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，同時(shí)選取更多的標(biāo)定點(diǎn),測量精度還可以進(jìn)一步提高。

3結(jié)束語
       四線制鉑電阻溫度測量具有較高的測量精度,可用于長距離的溫度測量。不僅可以消除長導(dǎo)線上的電阻對測量的影響,同時(shí)可以消除零點(diǎn)漂移及增益漂移產(chǎn)生的影響,因此廣泛應(yīng)用于氣象行業(yè)中的溫度測量。