基于PT100的高精度气温采集器设计

摘 要：介绍了PT100的特性、温度采集器的硬件电路设计原理、采集过程及其计算方法,通过多种手段使采集器的采集精度达到了0.1℃.设计方案已通过大量实验验证,并应用到了实际产品中.

关 键 词：PT100；温度采集；高精度；自动校正

中图分类号：TP319文献标识码：A文章编号：16727800（2013）003006802

0引言

PT100温度传感器由于精度高、适中,在温度测量中被大量使用,目前虽然有新的精度更高的温度传感器不断问世,但是由于种种原因PT100还是无法被取代.PT100为模拟信号温度传感器,如要做到较高精度的温度采集,只是PT100的精度高是不行的,它对采集器的依赖较高,只有配合高精度的采集器才能充分发挥其性能.实现高精度的采集器有很多种方法,本文将介绍其中的一种.

1PT100特性

铂电阻温度传感器是利用金属铂在周围温度变化时自身电阻值也随之改变,且其电阻值和温度值成特定函数关系而制成的温度传感器.由于其测量准确度高、测量范围大、复现性和稳定性较好等特点,铂电阻温度传感器被广泛用于中低温（-200℃～650℃）范围的温度测量中.

PT100是铂电阻温度传感器的一种,PT后的100即表示它在0℃时阻值为100Ω,在100℃时它的阻值约为138.51Ω.它的阻值会随着温度上升而成近似匀速地增长,但它们之间的关系并不是简单的正比关系,而更应该趋近于一条抛物线.国际上有标准的《Pt100热电阻分度表》,表中列出了PT100在每摄氏度的电阻值.

2硬件电路设计

由于PT100的电阻值随温度的变化而变化,即在不同的温度下PT100都有所对应的电阻值.因此PT100测量温度的原理为：测量PT100的电阻值,根据PT100的电阻值计算出PT100所在环境的温度.

测量电阻的一般方法为：将电阻接入电源,测量电阻的电流和两端电压,根据R等于U/I计算出电阻值.电流一般采用恒流源,这样只用测量其电阻两端的电压即可计算出阻值.

2.1需要考虑的问题

2.1.1铂电阻温度传感器的接线方式

Pt温度传感器的接线方式有两线制、三线制和四线制.由于热电阻随温度变化而引起电阻的变化值较小,如铂电阻Pt100在-50℃～80℃时电阻变化幅度为80.31Ω～130.9Ω.因此,在传感器与测量仪器之间的引线过长会引起较大的测量误差,在实际应用时,通常是热电阻与仪器或放大器采用两线或四线制的接线方式.两线制的引线电阻将对测量结果产生影响不适合高精度测量.采用四线制可消除连线过长而引起的误差.

（1）二线制测量.两根线既传输电源又传输信号,传感器输出的负载和电源串联在一起,电源是从外部引入的,和负载串联在一起来驱动负载.如图1所示,R2和R3是固定电阻器,且R2等于R3.R1为保持电桥平衡而选用的可变电阻器.二线制接法由于没有考虑引线电阻和接触电阻,故可能产生较大的误差.若用这种电路作温度精密测量,整个电路在使用温度范围内必须校准.

（2）四线制测量.四线制中电源线两根,信号线两根.电源和信号是分开工作的.四线制测量可以消除在传感器导线中由于激励电流引起的电压降（也就是由于线阻导致的压降）,这个压降在测温当中会干扰测量结果,加入线阻产生的温度,因此该方法测量精度较高.如图2所示,R1、R2、R3和R4为引线电阻和接触电阻,且阻值相同,R1、R2是电压检测电路一侧的电阻,R3、R4是恒流源一侧电阻.这种电路在测量电压时,漏电流很小,其中高阻抗电压计是不可缺少的部分.测量误差主要由R1和R2的电压降引起,该误差远远小于铂电阻测温计电压降引起的误差,可忽略不计.因为R3和R4是和恒流源串联连接,故也可忽略.由于四线制Pt电阻可以消除导线对测量结果的影响,因此在制作高精度的测量仪器时尽量选用四线制Pt电阻.

关于电流源Pt100在0℃的阻值应为100Ω,在100℃时的阻值约为138.51Ω.恒流源的电流值要适当,有以下两个原因：①如果恒流源的电流值过大,电流在流过Pt电阻时产生的热量会影响测试精度,根据经验电流值不能大于lmA；②如果恒流源的电流值过小,在测试时输出的信号就会很小,为使测量的信号满足AD的要求就必须加大放大电路的放大倍数,这样就加大了系统的误差.因此,恒流源的大小、放大器的放大倍数与AD输入电压的要求要找到一个平衡点,使电路对测量信号产生的失真降为最小.

2.1.2关于信号调理电路与AD的影响

在信号调理电路中,恒流源电路和放大器电路的稳定性与一致性；以及AD电路的稳定性与一致性都直接影响到最终的测量结果.如果元器件的一致性不同,在相同的温度下,每个设备的AD输出值将都不相同；而且电子元器件都存在温漂,即在不同的温度条件下工作的参数都会有所变化.这些问题虽然可以通过软件进行校正,但是需要每台设备在出厂前进行测试后修改校正参数,比较麻烦,不适合批量生产.

使用硬件校正比较适合批量生产.使用硬件校正可以采用精密电阻法,将精密电阻与PT100串联接入恒流源,先测量精密电阻的电压然后测量PT100的电压.因为PT100与精密电阻串联在电路中,通过它们的电流相等,所以在它们身上产生的电压与电阻成正比.只要知道各自的电压及精密电阻的电阻值,就可以算出PT100的电阻值.算式为：PT100的阻值/精密电阻阻值等于PT100测量的AD值/精密电阻测量的AD值,两者的AD值通过测量得知,精密电阻值已知,PT100的阻值就可以计算出来.这样一来计算过程与恒流源的大小、放大电路的放大倍数及AD的参数都无关,只与精密电阻的精度和AD的采样精度有关.

2.1.3采集器硬件原理设计

恒流源采用1mA,部分AD转换器中集成恒流源电路,可以直接采用,如AD7793.传感器采用四线制PT100,以消除导线电阻所产生的影响.精密电阻采用精度为0.01%的100Ω低温漂精密电阻,温漂小于5ppm/℃.放大器采用单路一级放大即可,如OP1177.AD转换器根据需要采用16～24位.系统对CPU要求不高,可以根据具体情况选择.

3温度采集过程及计算方法

PT100的电阻值等于（V1/V0）*100

温度值的计算：得出PT100的电阻值后,通过查表法（参照《Pt100热电阻分度表》）获得当前电阻值所在的温度区间,然后再把该温度区间对应的电阻值进行线性化,计算出相对应的温度.

为提高系统的准确度,可以将同一时间周期内的温度值求平均数或者滑动求平均数,得出最终的温度值.

4结语

该温度采集器用于大气温度的测量,设计的温度测量范围为-50℃～60℃,采集器精度可以达到0.1℃.采集器具有精度高、电路简单、自动校正的特点,适合批量生产.