铂电阻测温系统中的误差修正方法

摘要

本发明公开了一种基于电阻比率法铂电阻测温系统中的误差修正方法，本发明采用激励电流源换向技术，消除了铂电阻接插件、模拟开关等测量回路中寄生热电动势和系统漂移的影响；分析了由放大电路中增益电阻不匹配及引线电阻引入的测量误差，提出了修正函数形式，通过放大电路共模抑制比标定及引线电阻实时测量确定修正函数参数。本发明通过对电路结构中各误差的分析，建立函数关系式并计算出各误差系数，从而对测得铂电阻的阻值进行修正，实验结果表明：测温系统经过误差修正后，温度测量的准确性得到显著提高。

说明书

技术领域

本发明涉及温度测量领域，更具体地涉及一种基于电阻比率法铂电阻测温系统中的误差修正方法。

背景技术

温度是日常生活及生产活动中的重要参数，涉及国民经济、科学研究及社会建设等各方面，准确高效地获取温度信息具有重要意义。在地质勘查、环境检测、工业现场多点数据采集等领域，不仅要求实现高精度测温，还要求仪表便携，在野外或现场能够长时间稳定工作，且操作简单，性价比高。随着科学技术的不断进步，测温技术正朝着高精度、低成本、小型集成化发展。铂电阻是最精确和最稳定的温度传感器，由于具有高精度、较好线性度、极佳的可互换性和长期稳定性等优点，被广泛应用于高精度的温度测量领域。

目前，高精度热电阻法测量温度主要采用四线制的铂电阻以消除引线造成的测量误差。在精密测温系统中，电阻信号常通过电桥电路转换为电压信号，再经放大处理及模数转换器转换，最终发送至单片机进行处理。但由于电路元器件性能、环境温度、铂电阻自热效应的影响，使系统测试时存在较大误差，且引线电阻以及差分放大器上增益电阻不匹配都会影响测温的准确性。

发明内容

针对背景技术中提到的现有便携式铂电阻温度测量系统中准确度不高的问题，本发明采用四线制铂电阻温度传感器，设计了一种基于阻值比率法的便携式高精度测温电路，并提出了一种修正误差的方法。

本发明采用的技术方案是：

测温电路中含多项误差，主要包括差分放大器上的共模误差、引线误差、寄生热电势误差等，其中最主要的是共模误差，它的大小受差分放大器上增益电阻间差异程度的影响。所述误差的修正方法为：通过分析电路中各误差项的影响，建立电压比值与铂电阻、参考电阻、引线电阻以及模拟开关导通电阻之间的函数关系式，将该测温电路连接标准电阻箱，调节电阻箱以测量不同阻值的标准电阻，将标准电阻箱示值作为真值代入上述函数关系式中，多次测量组成多元一次方程组可求解得到各误差项系数，最终得到铂电阻的修正公式，从而修正铂电阻的阻值。

该测温电路的工作原理为：四线制铂电阻作为测温传感器，高稳态金属箔电阻作为参考电阻，两者串联并由恒流源驱动，通过模拟开关切换通道，模数转换器转换铂电阻和参考电阻上的电压，随即将转换后的电压发送至单片机，单片机对数据进行处理后再将铂电阻测得的温度发送至上位机显示。

本发明的有益效果是：采用恒流源换向驱动串联铂电阻与参考电阻，有效减少了引线电阻及电路中寄生电动势引起的误差；采用高分辨率的模数转换器和高稳态金属箔电阻提高了测温系统的精度与稳定性；通过对电路结构中各误差的分析，建立函数关系式并计算出各误差系数，从而对测得铂电阻的阻值进行修正，实验结果表明：测温系统经过误差修正后，温度测量的准确性得到显著提高。

附图说明

图1为高精度测温系统的结构图；

图2为恒流源驱动及切换电路的原理图；

图3为铂电阻测温电路的原理图；

图4为误差分析原理图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步详细说明。

如图所示，图1为本发明高精度铂电阻测温系统的结构图，铂电阻作为温度传感器，它是利用阻值随温度变化而变化、并呈一定函数关系的特性来进行测温，通过测量其电阻值推算出被测物体温度，这就是铂电阻温度传感器的工作原理。高精度铂电阻测温系统包括：电压-电流转换的精密恒流源驱动电路、模拟开关切换电路、电压跟随器、差分放大电路、高稳态金属箔电阻以及模数转换器及单片机构成。

所述模拟开关切换电路为低导通电阻、低功耗、双通道双刀双掷CMOS器件，起到切换恒流源方向和选择放大通路的作用；电压跟随器为超低噪声运算放大器，利用放大器输入阻抗大的特性，实现阻抗匹配；差分放大电路是由低噪声、低失真、超低功耗的差分放大器及增益电阻组成，增益电阻为4个0.1％的精密电阻，实现差分增益配置；高稳态金属箔电阻是精度为0.01％的100Ω高精密电阻，温漂系数为0.05ppm；模数转换器为Σ-Δ型32位模数转换器，其利用高倍频过采样技术实现数字滤波，降低了对传感器信号滤波的要求，通过将过采样技术与噪声整形和数字滤波技术结合使用，使其有效分辨率得以提高；单片机为STM32系列微型处理器，是对测温流程控制及数据处理的中心。

图2为电压-电流转换的精密恒流源驱动电路，是采用超低噪声、低失调的运算放大芯片ADA4528来提供稳定输出的恒流源，其中R1＝R2＝100K，R3＝R4＝10K，均是精度为0.1％的电阻，R5＝330Ω，输出的恒流源I＝0.75mA。

图3为铂电阻测温电路原理图，铂电阻与参考电阻串联，四线制铂电阻中两根线通恒流源，另外两根为电压线，电路放大倍数记为G；当恒流源从铂电阻流向参考电阻时，放大后铂电阻的电压记为Volt₁，参考电阻的电压记为Volt₂；当恒流源从参考电阻流向铂电阻时，放大后铂电阻的电压记为Volt₃，参考电阻的电压记为Volt₄；电路中铂电阻通路上寄生电动势记为EMF₁，失调漂移记为OFFSET₁，参考电阻通路上寄生电动势记为EMF₂，失调漂移记为OFFSET₂：

Volt₁＝G(I×R_PT+EMF₁)+OFFSET₁>

Volt₂＝G(I×R_ref+EMF₂)+OFFSET₂(2)

Volt₃＝G(-I×R_PT+EMF₁)+OFFSET₁(3)

Volt₄＝G(-I×R_ref+EMF₂)+OFFSET₂>

根据以上公式可得：由此公式可以看出，在假设电路放大倍数G恒定且不受被测量影响时，通过恒流源换向方法可以消除电路中引线上寄生电动势和失调漂移对测量铂电阻阻值的影响，铂电阻的阻值只与测量的电压比值及参考电阻有关。

图4为误差分析原理图，RF1＝RF2＝250Ω、RG1＝RG2＝2KΩ，均为0.1％的精密电阻，组成简单外部反馈网络，实现差分增益配置；由于这些反馈电阻的阻值并不完全匹配，使得电路放大倍数G受反馈电阻阻值影响，设结合上述分析步骤对电路差分放大电压的分析，设电压比值为M，则可得到公式(5)：

由此可见，由于差分放大器上增益电阻不匹配对电压比值存在一个误差系数β的影响，若β越大，铂电阻阻值的偏差则越大，准确度就越低。

然而，测温系统的误差不仅受到增益电阻之间的差异程度的影响，还受到引线电阻和模拟开关导通电阻的影响。为了分析每项误差的影响，重新建立铂电阻的函数表达式。如图4所示，R_PT和R_ref分别代表铂电阻和参考电阻的阻值，LP_A、LP_B、LP_C和LP_D分别是铂电阻上的引线电阻，LR_A、LR_B、LR_C和LR_D分别是参考电阻上的引线电阻。Ron_A、Ron_B是模拟开关上的导通电阻(继电器或CMOS多路复用器)，OFF_A、OFF_B、OFF_C、OFF_D输出放大器的偏置电压，由于放大器的输入阻抗大，在采样终端导线和导通电阻的影响可以忽略。

同样地，第一步是当电流从铂电阻流向参考电阻上时，测量铂电阻的电压，输入模数转换器的铂电阻电压记为Vin₁，表达式如下：

Vin₁＝α{(I×R_PT+OFF_B-OFF_A)+β[I(LP_D+LR_A+R_ref+

LR_D+Ron_B)+OFF_B]}+OFF_C-OFF_D>

第二步是当电流从铂电阻流向参考电阻上时，测量参考电阻的电压，输入模数转换器的参考电阻电压记为Vin₂，表达式如下：

Vin₂＝α{(I×R_ref+OFF_B-OFF_A)+β[I(LR_D+Ron_A)+

OFF_B]}+OFF_C-OFF_D>

第三步是当电流从参考电阻流向铂电阻上时，测量铂电阻的电压，输入模数转换器的铂电阻电压记为Vin₃，表达式如下：

Vin₃＝α{(-I×R_PT+OFF_B-OFF_A)+β[I(R_PT+LR_A+

Ron_A)+OFF_B]}+OFF_C-OFF_D(8)

第四步是当电流从参考电阻流向铂电阻上时，测量参考电阻的电压，输入模数转换器的参考电阻电压记为Vin₄，表达式如下：

Vin₄＝α{(-I×R_ref+OFF_B-OFF_A)+β[I(R_ref+LR_A+

LP_D+R_PT+LP_A+Ron_A)+OFF_B]}+OFF_C-OFF_D(9)

设电压比值根据公式(6)～(9)有：

其中：

ΔL₁＝LP_A-LP_D-LR_A-LR_D

ΔL₂＝LP_A+LP_D+LR_A-LR_D

ΔR_on＝Ron_A-Ron_B

根据电路中引线的实际长度，引线电阻可以直接测得，或将其与β和REF均当作未知误差系数，代入公式(10)建立方程亦可求解。根据公式(10)，推出电压比值与电阻阻值及包含误差项的关系式如下：

通过分析可知，由于电路中的各项误差，电阻比值与电压比值关系式越发复杂，关系式中存在的误差项系数越大，R_PT的偏差则越大，准确度就越低，因此需要修正误差系数β、参考电阻与引线电阻的值。修正的方法为：铂电阻用标定后的标准电阻代替，该系统实测标准电阻得到电压比值M，以标定后的标准电阻为铂电阻真值R_PT，Rref、引线电阻、β为未知参数，测量多个不同阻值的标准电阻，代入公式(10)组成多元一次方程组并解出相关误差项的系数，将误差项系数代入公式(11)，得到铂电阻阻值的修正值。

实验验证：电路板测量不同阻值的精密电阻，保证相同实验条件下，将精密电阻浸没在小型油浴中，并对油浴进行实时控温，通过长时间的测量，测试结果显示无明显漂移现象，测温精密度优于1.6mK；运用误差修正方法后，测温系统的温度测量准确性有显著提高，在0～500Ω范围，修正后测温系统测得的标准电阻阻值与真值相差最大仅有0.00295Ω，温漂系数在±15ppm以下，以最大绝对误差0.00295Ω计算，对应ITS-90标准分度表，用铂电阻在0℃3850×10^-6/℃的灵敏度计算，修正后的最大温度检测相对误差为0.007℃。

结合本发明设计的基于电阻比率法的铂电阻测温系统及提出的误差修正方法，不仅能够实现高精度测温，且功耗低，精巧便携，面积仅为120mm×77mm，具有高精度、不确定度小、低成本、小型集成化的特点，满足在地质勘查、环境检测、工业现场多点数据采集等领域的测温要求，能够长时间稳定工作，且操作简单，性价比高，适用于便携式高精度测温仪，数字式温度计，电阻温度标定仪及智能化高精度测温类仪器的研制。