基于自校正技术的热电阻精密测温装置

　　1　引　言

　　在工业生产和科学研究的温度测量中,热电阻是使用的最广泛的测温仪表之一,测量范围大、性能稳定、安装使用方便是热电阻的主要特点,但热电阻输出与温度之间的非线性特性也给其应用于精确测量带来诸多不便,虽采用了一些线性化方法,如用正反馈法改善非线性等,但测量误差仍然较大。

　　在实际应用时,常采用精度高、稳定性好、回差和重复性误差都很小的PT100铂电阻传感器为测温元件[1],测量中通过施加恒定的电流将电阻值变为电压进行测量。然而,测量误差还必须考虑其他环节的影响,如测温元件的长引线电阻[2,3]变化对恒流源的影响;放大及信号调理电路中,运算放大器的失调电压、放大倍数以及零点电压的漂移;后级的AD转换器的漂移等以及电源电压的变化等[4]。最终对恒流源的要求将会更加苛刻。只有全部使用精度很高、温漂极小的元件,才有可能满足系统的测量精度要求,这在工程上实现起来有一定的难度。

　　本文提出了一种基于自校正思想设计的测温方法,配合简化了的数据处理,能有效地克服长期野外环境所造成的漂移等影响,取得了较好的测温效果。

　　2　测量原理

　　设计的测温方案如图1所示。在电路漂移同样存在的情况下,利用其变化缓慢的特点,通过信号比较法抵消漂移的影响。

　　图1中恒流源同时向三个串联电阻供电,除PT100测温电阻外,另两个为已知的标准电阻;三个电阻上的信号电压通过模拟开关的切换,分时送给同一个放大调理电路,后者将三路信号处理后输送至A/D转换器及微控制器。

　　其中IS为恒流源输出的电流。在信号切换的短时间(秒级)内,可认为IS不变,则短时间内ui1,ui2,uiT三者之间的比例仅取决于电阻之比,与恒流源的大小无关。R1,R2采用精度为±0·02%、温度系数为±2 ppm的标准电阻,即使工作环境温度有±30℃的变化,相应阻值变化也仅有0·006%,可忽略不计而视其为已知的常数。

　   设放大调理电路的电压放大倍数为KV,总的零点偏置(包含漂移)为V0f。KV,V0f虽有漂移但短时间内仍可认为其不变。则三路电压信号经放大调理电路放大后,其输出分别为:

　　显然,RT只取决于测量结果的相对值,漂移对测量的影响被抵消了。

　　以上结论同样可以扩展到A/D转换器后的输出。因为A/D转换器的基准源的漂移影响也是缓慢的,短时间(秒级)内对三个信号的影响基本相同,转换后的结果不会改变三者的相对关系。设A/D的三个输出为

　　可见,此方法对整个电路的漂移都具有实时的自校正功能。与其他具有温度补偿功能的测量方案[1,4]相比,它不需要测量环境温度,也无须进行复杂的软件计算,且电路简单、调试方便,因而具有较强的实用性。