铂电阻Pt100的温度测量方法

0引言
       温度是表示物体冷热程度的物理量,微观上讲是物体分子热运动的剧烈程度。温度的测量只能通过物体随温度变化的某些特性来间接测量,通常可通过测量电阻的变化、频率的变化或电压的变化来测量温度。目前,温度传感器主要有热敏电阻、石英晶体、热电偶、PN节和铂电阻等,而气象上用于气温测量的温度传感器主要是铂电阻Pt100。
       Pt100是正温度系数的热电阻，随着温度的升高，电阻的阻值变大。之所以叫做Pt100,是因为在0℃时其电阻阻值为100Ω。Pt100在温度测量方面得到广泛应用,不仅仅是因为测温范围比较宽,更重要的是它的线性度非常好，也就是温度每升高1℃,其电阻升高的值基本一致，约0.38~0.39Ω对应1℃。Pt100电阻测量方法一般可以采用二线制、三线制和四线制方式。
       二线制测量是通过两根导线与Pt100连接,在.导线两端加上一个恒流源I,通过测量导线两端的电压Vx,计算出电阻,间接测得温度。由于传感器电阻变化值与连接导线电阻值共同构成传感器的输出值,导线电阻带来的附加误差使实际测量值偏高。因此,这种方法只能用于对测量精度要求不高的应用场合,并且导线的长度不宜过长。
       三线制测量是通过三根导线与Pt100连接，要求引出的三根导线截面积和长度均相同。测量铂电阻的电路--般是不平衡电桥，铂电阻作为电桥的一个桥臂电阻,将一根导线接到电桥的电源端,其余两根分别接到铂电阻所在的桥臂及与其相邻的桥臂上。当桥路平衡时,导线电阻的变化对测量结果没有任何影响,这样就消除了导线线路电阻带来的测量误差,但是必须为全等臂电桥,否则不可能完全消除导线电阻的影响。采用三线制会大大减小导线电阻带来的附加误差,工业上一般都采用三线制测量。
       四线制测量是用两条附加导线提供恒定电流，另两条导线测量Pt100两端的电压。在测量电路输人阻抗足够高的条件下,测量Pt100两端电压的导线上几乎没有电流流过,因此这两段导线上几乎没有电压降,从而消除导线长度对测量带来的影响。这样就可以正确测量Pt100上的电压,计算得出电，阻值。四线测量主要用于小电阻的长线测量。
1测量方法
       文章主要介绍一种用Pt100铂电阻进行温度测量方法一一四线制铂电阻测量方法。此方法是采用单片机通过AD转换器对Pt100进行电阻测量,从而测量出温度。让恒流源产生的电流通过，Pt100铂电阻，温度变化引起Pt100电阻值的变化,从而引起电压的变化。将此电压放大后经AD采样,送由单片机处理,换算出相应温度。
       四线制电阻的连接方式如图1所示。从电阻的根部分别引出四根导线,恒流源从一-侧流人[3],同侧线缆连接AD采样端;另外一侧的两根线分别连接地和AD采样端。

       单片机采用SiliconLaboratoriesIns的C8051F020作为数据采集处理单元,AD转换器采用16位的AD7792用于测量Pt100电阻的电压。AD7792内部带有一个恒流源,可输出1mA的恒定电流。AD7792通过SPI接口与单片机进行连接,实现数据的高速采集。
考虑恒流源的稳定性和温漂等因素,设计时增
       加了两个低温漂标准电阻以及二片双四选一多路模拟开关,用AD7792分别轮流采集R1、R2和RX的电压值,如图2所示。图中R1和R2为标准电阻,RX为Pt100铂电阻。由于流经两个标准电阻上的电流为同一个恒流源产生,可消除电流源.波动以及零点和增益漂移带来的影响。

       由于外界干扰或某些不可预知的因素,经A/D转换后测得的电压偏离了真实值,可能会出现一些随机的误差,如果只采样1次,无法确定结果是否可信。为了消除干扰,可采用数字滤波。即通过多次采样得到一一个A/D转换的数据序列,再通过软件算法处理后得到一个高可信度的结果。
       数据滤波方法的选用要视现场环境和被测对象而定。由于算术平均滤波不能将明显的脉冲干扰或粗大误差消除,只能将其影响削弱,因此在本系统中采用去极值均值滤波。因明显干扰或粗大误差使采样值远离其实际值,可以比较容易地将其剔除,不参与平均值计算,从而使平均滤波的输出值更接近真实值。具体算法如下:连续采样n个电压值,将其累加求和,同时找出其中最大值和.最小值,再从累加和中减去最大值和最小值,按n-19个采样值求平均，即有效采样值。
       模拟开关分别切换到R1、R2和R.上,可采集15个有效电压采样值分别为V1、V2和Vx,根据对应关系有:

       铂电阻的电阻值获得后,还需要转换为温度值。由Pt100的特性可知,虽然Pt100的线性度比较好,但是由于其温度一电阻函数关系并非完全线性,为了提高测量精度,通常采用查表和线性插值算法进行标度变换的方法计算出温度。此方法不仅运算快、占用单片机内部资源少,而且可以一定程度上对Pt100进行线性化校正,从而达到提高精度的测温效果。
       首先在单片机的FLASH区建立一个电阻一温度分度表,在测量范围内均匀选择选取一定数量的标定点。标定的点数越多在一-定程度上其计算的精度越高,但表格越大,占用的资源越多,计算的速度越慢。考虑到单片机的程序存储空间和实际的测量精度要求,我们每隔10℃选取--个标定点,见表1所示。.

2数据分析
       系统完成后,经过标准的水槽进行测试,结果见表2所示。从表2可以看出，所测温度的最大误差为0.1℃,可以满足气象测量的精度要求。如果对PCB电路板进行设计优化，同时选取更多的标定点,测量精度还可以进一步提高。

3结束语
       四线制铂电阻温度测量具有较高的测量精度,可用于长距离的温度测量。不仅可以消除长导线上的电阻对测量的影响,同时可以消除零点漂移及增益漂移产生的影响,因此广泛应用于气象行业中的温度测量。