高精度铂电阻温度测量新方法

    标准铂电阻温度计具有高精度、高灵敏性和高稳定性等特点,因而被广泛应用于智能仪器仪表的温度测量。现有方法大多是先将电阻变化通过电阻桥转换为电压信号,再经过一系列滤波和放大处理后,送入A/D转换器完成温度采集^[1-3]。这类方法需解决好以下问题:

    (1)由于温度对铂电阻阻值和放大器带来的影响,系统在环境温度变化时会产生一定的系统误差。在高精确度测量中,寻找有效的温度补偿方法是需要面临的难题之一[4-6]。

    (2)随着测量精度的提高,高分辨率A/D转换器的价格增大,导致测量仪器成本过高是所面临的另一个问题^[7]。

    给出一种新的铂电阻测温方法,通过RC振荡器,将铂电阻变化量转换为频率信号,解决了传统方法中由于温度变化及不平衡电阻桥所带来的非线性问题;通过测量频率变化量值来解算铂电阻的阻值变化,从而计算出被测温度值,省去A/D环节,在高精度测温时降低了设备成本。

    1　测量原理

    1.1　传感器信号调理

    使用传感器首要的问题是如何将传感器输出的模拟信号数字化,本设计采用了一种将铂电阻阻值变化调制为时变频率信号的方法。为把传感器的阻值变化转换成频率变化,可将铂电阻放入RC振荡电路,如图1所示。振荡电路由比较器和连在正反馈端的触发器组成,在振荡电路中,传感器看作可变电阻。通过对触发器设置适当的阈值即可将传感器的阻值变化转换为时变频率(方波)信号。再将该信号输入到如图2所示的计数器,在给定的循环周期内利用高速计数器解调频率信号,从而数字化为与振荡频率成比例的值,继而成比例于被测物理量(温度值)。

    1.2　测量结果推算

    根据上述调理方案,要完成温度解算,最直接的方法是先由测得的计数值,计算出信号变化的频率值,由于频率与RC震荡电路的时间常数成反比关系,即

式中:Fo为测得的信号变化频率值;R为铂电阻阻值;C为振荡器电容值;k为时间比例系数。

    由式(1)可知,如果Fo、C和k已知,就能求出铂电阻当前的R,继而由阻值换算出温度值。

    然而,上述方法需处理好如下问题:

    (1)求取k较繁琐,需通过反复实验才能确定(推导过程并不复杂),实践证明,其互换性较差。

    (2)电路中难免存在一些寄生电容和开关电阻等,会影响到测量结果的推算。如电路中的开关电阻会与铂电阻阻值叠加,成为式(1)中的R部分;电容也有类似的情况,要消除这些干扰的代价很大。

    为此,提出一种直接用多项式拟合来解算温度值的方法。即在仪器的测量范围内均匀改变恒温槽温度,同时记录计数值与标准温度值,然后用高阶多项式对两组数据进行拟合,得到计数值与标准温度值的映射关系,从而得到一组多项式系数,以后测得的新的计数值用该组系数即可算出对应的温度。避免了上述问题中繁琐的试验及中间计算环节导致的各种误差,系统标定、校准过程简单,易实现软件自动化。