一種鉑電阻測(cè)溫的硬件非線性補(bǔ)償方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種鉑電阻測(cè)溫的硬件非線性補(bǔ)償方法，采用非線性補(bǔ)償電路從測(cè)量電路的輸出取出一部分正反饋給測(cè)量電路輸入端，且反饋電流隨溫度升高逐漸加大，使得該電路具有很好的跟蹤特性，在低溫區(qū)和高溫區(qū)都能得到很好的補(bǔ)償作用，從而校正鉑電阻測(cè)溫存在的非線性誤差；測(cè)量裝置由偏置補(bǔ)償電路、測(cè)量電路、非線性補(bǔ)償電路、增益電路和基準(zhǔn)電壓電路構(gòu)成；本發(fā)明方法構(gòu)成的溫度測(cè)量裝置線路簡(jiǎn)單、易調(diào)整、非線性補(bǔ)償效果好。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
一種鉑電阻測(cè)溫的硬件非線性補(bǔ)償方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程檢測(cè)領(lǐng)域，特別是涉及一種鉑電阻測(cè)溫的硬件非線性補(bǔ)償方法。
【背景技術(shù)】
[0002]溫度是工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中非常重要的測(cè)量參數(shù)，溫度測(cè)量和控制的準(zhǔn)確性直接影響產(chǎn)品生產(chǎn)和產(chǎn)品質(zhì)量。隨著測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，對(duì)溫度測(cè)量精度的要求也越來(lái)越高。鉑電阻溫度傳感器因具有測(cè)溫范圍廣、準(zhǔn)確度高、可靠性好等優(yōu)點(diǎn)響應(yīng)速度快等諸多優(yōu)點(diǎn)，被作為工業(yè)精密測(cè)量系統(tǒng)中廣泛使用的理想測(cè)溫元件。
[0003]-50-500°C是科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)最常用的溫度范圍，標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)作為1990年國(guó)際溫標(biāo)(I TS — 90)規(guī)定的內(nèi)插測(cè)溫儀器，是-50-500 V溫度段內(nèi)測(cè)溫準(zhǔn)確度最高的測(cè)溫儀器。鉑電阻作為溫度敏感元件，是鉑電阻溫度計(jì)的核心部件。PtlOOO鉑電阻作為精密測(cè)溫常用的傳感器具有性能穩(wěn)定、重復(fù)性好、誤差小等優(yōu)點(diǎn)，但存在一定的非線性誤差。將鉑電阻隨溫度變化而產(chǎn)生的阻值變化轉(zhuǎn)換為可被進(jìn)一步處理的電壓信號(hào)需進(jìn)行非線性校正。本發(fā)明基于硬件的非線性補(bǔ)償方法，使得非線性誤差降低到0.1%。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種鉑電阻測(cè)溫的硬件非線性補(bǔ)償方法。
[0005]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:
[0006]采用非線性補(bǔ)償電路從測(cè)量電路的輸出取出一部分反饋給測(cè)量電路輸入端，從而校正鉑電阻測(cè)溫存在的非線性誤差;該反饋為正反饋，且反饋電流隨溫度升高逐漸加大，使得該電路具有很好的跟蹤特性，在低溫區(qū)和高溫區(qū)都能起到很好的補(bǔ)償作用。
[0007]構(gòu)成的測(cè)量裝置由偏置補(bǔ)償電路、測(cè)量電路、非線性補(bǔ)償電路、增益電路和基準(zhǔn)電壓電路構(gòu)成。
[0008](I)偏置補(bǔ)償電路
[0009]由三個(gè)固定電阻(R8= 1K、R9= 10K、R1q= 1K)、一個(gè)可調(diào)電位器WZ= IK和一個(gè)運(yùn)放Ul組成的放大器構(gòu)成偏置補(bǔ)償電路，調(diào)整電位器WZ使O 0C時(shí)增益電路輸出為OmV;
[0010](2)測(cè)量電路
[0011]由鉑電阻PT和一個(gè)運(yùn)放U2組成的放大器構(gòu)成測(cè)量電路，基準(zhǔn)電壓UREF= 5V和固定電阻R4=20K為鉑電阻PT提供0.25mA的靜態(tài)工作電流；
[0012](3)非線性補(bǔ)償電路
[0013]由三個(gè)固定電阻(取=101(、1?6 = 101(、1?7 = 2410、一個(gè)可調(diào)電位器￥見(jiàn)=21(和一個(gè)運(yùn)放U3組成的放大器構(gòu)成非線性補(bǔ)償電路，可調(diào)電位器WNL用于調(diào)整非線性補(bǔ)償量；
[0014](4)增益電路
[0015]由三個(gè)固定電阻(Rn = 9.1LR12 = 1LR13 = QlKh—個(gè)可調(diào)電位器WG = 5K和一個(gè)運(yùn)放U4組成的放大器構(gòu)成增益電路，可調(diào)電位器WNL用于調(diào)整增益；
[0016](5)基準(zhǔn)電壓電路
[0017]由三個(gè)固定電阻(1?1= 4.71(、1?2 = 3001(、1?3 = 3.910、一個(gè)電容(:1 = 0.14卩、一個(gè)可調(diào)電位器WV5 = 2K、和一個(gè)ADI的高性能基準(zhǔn)源AD584L構(gòu)成基準(zhǔn)電壓電路，電位器WV5用于輸出基準(zhǔn)電壓Uref微調(diào)；
[0018]六01的高性能基準(zhǔn)源六058禮具有引腳可編程的特點(diǎn)，可以輸出10￥、7.5￥、5￥和2.5￥電壓，初始精度± 0.06 %，溫漂系數(shù)1ppm/0C。
[0019]由于有三個(gè)電位器(￥2、￥1、￥6)的調(diào)節(jié)作用，故而四個(gè)運(yùn)放(1]1、1]2、1]3、1]4)的失調(diào)電壓并不重要，通用運(yùn)放LM324即可勝任，要求高的可以用LT1014。
[0020]為了保證測(cè)量溫度的準(zhǔn)確性，需選擇低溫度系數(shù)的固定電阻，例如原軍工718廠的RJ24金屬膜電阻。
[0021]工作過(guò)程是:電位器WZ用于調(diào)零，WG用于調(diào)整增益，WNL用于線性化校正。經(jīng)過(guò)增益放大，輸出I OmV/ °C的模擬電壓量，乘以100就是被測(cè)溫度；
[0022]本發(fā)明的有益技術(shù)效果是:采用非線性補(bǔ)償電路從測(cè)量電路的輸出取出一部分反饋給測(cè)量電路輸入端，從而校正鉑電阻測(cè)溫存在的非線性誤差，構(gòu)成的溫度測(cè)量裝置具有線路簡(jiǎn)單、易調(diào)整、非線性補(bǔ)償效果好特點(diǎn)。
【附圖說(shuō)明】
[0023]附圖1是硬件非線性補(bǔ)償?shù)你K電阻測(cè)溫電路。
[0024]附圖2是5V基準(zhǔn)電壓電路。
[0025]附圖1帶箭頭短線表示支路電流，大寫(xiě)字母代表節(jié)點(diǎn)，電源PWR+=15V，PWR_ = _15V。
【具體實(shí)施方式】
[0026]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】做進(jìn)一步說(shuō)明。
[0027]符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的鉑電阻，通常用式(I)表達(dá)鉑電阻值PT隨溫度的變化:
[0028]PT = PTo[l +aT-bT2-cT3 (T-100)] (I)
[0029]其中，T是以攝氏度為單位的被測(cè)溫度;PTo是0°C時(shí)的鉑電阻值，常見(jiàn)的有100Ω、500 Ω 和 1000 Ω ;a = 3.90802X 10—3、b = 5.80195X 10—7和c(T彡(TC時(shí)，c = 0;T<0時(shí)，C =4.27351 X 10—12)是溫度系數(shù)。
[0030]系數(shù)c只有在負(fù)溫度時(shí)才起作用，通過(guò)簡(jiǎn)單估算可知，即使溫度低至一100°C，其影響也不足0.1%，所以絕大多數(shù)情況下可忽略，式(I)變?yōu)槭?2):
[0031]PT = PTot 1+aT-bT2] (2)
[0032]式(2)中的第一項(xiàng)是直流偏置，本發(fā)明電路使用偏置補(bǔ)償法將其消除;第二項(xiàng)是鉑電阻隨溫度的線性變化;第三項(xiàng)是非線性項(xiàng)，如果忽略的話將產(chǎn)生2%左右的測(cè)量誤差，本發(fā)明電路用硬件非線性補(bǔ)償方法抵消其影響。
[0033]基準(zhǔn)電壓Uref和R4為鉑電阻PT提供0.25mA的靜態(tài)工作電流，偏置補(bǔ)償電路使得O°C時(shí)的輸出Uo為OmV，非線性補(bǔ)償電路從節(jié)點(diǎn)B的輸出取出一部分反饋給輸入端，從而校正式
(2)中第三項(xiàng)的影響。該反饋為正反饋，且反饋電流隨溫度升高逐漸加大，使得該電路具有很好的跟蹤特性，在低溫區(qū)和高溫區(qū)都能得到很好的補(bǔ)償作用。最后經(jīng)過(guò)增益放大，輸出I OmV/ °C的模擬電壓量Uo，乘以100就是被測(cè)溫度。如需其他增益，成比例增減R13和WG的阻值即可。
[0034]根據(jù)附圖1，假設(shè)運(yùn)放是理想的，則理論分析如下:
[0035]Ua=O,Uc= =-Ub,Ue = Ud= (UrefXR1)/(R8+R9+R10)=0.25V,Uf = O
[0036]I1 = Uref/R4 = 0.25mA，12 = Uc/ (Rt+WNL) = -Ub/(Rt+WNL)，13 = _Ub/PT
[0037]I4=Uf/(Rh+WZ)=0.25V/(Rn+ffZ)，15 = Ub/Ri2,Ib = -Uo/(Ris+ffG)
[0038]I1+I2 = I3^Ub = -0.25mA X PT/ [ 1-PT/ (Ry+ffNL)]
[0039 ] 14+15 = 16—0.25V/ (R11+WZ) +Ub/Ri2 = -Uo/(Ris+ffG)
[0040]令γ = [ (Rn+ffZ) /Ri2 ] X [ 1-PT/ (Ry+ffNL)]
[0041]求得輸出為:
[0042]Uo = -[(Ri3+ffG)/(Rn+ffZ)] X0.25VX {(-γ XaXT) + (l-y ) + ( γ XbXT2)} (3)其中，大括號(hào)內(nèi)第一項(xiàng)是需要輸出的線性部分;第二項(xiàng)起偏置補(bǔ)償電路的作用，這一項(xiàng)近似為零;第三項(xiàng)是非線性補(bǔ)償部分。調(diào)整電路中三個(gè)電位器，可以在很寬的溫度范圍內(nèi)使后面兩項(xiàng)之和基本為零。
[0043]假設(shè)被測(cè)溫度范圍是-50?500°C，取250°C時(shí)的工作點(diǎn)進(jìn)行非線性校準(zhǔn)，即要求:
[0044]1-γ + γ XbXT2SO;取T = 250°C，得 γ =1.03763；
[0045]取(Rn+WZ)SRi2，得 PT/(R7+WNL) ￥0.03626。
[0046]實(shí)際上，(Rn+WZ)〈R12，且鉑電阻隨溫度變化，經(jīng)過(guò)大量計(jì)算機(jī)仿真，得出當(dāng)PT/(R7+WNL)￥0.041時(shí)，電路將處于最佳狀態(tài)。為此選取R7 = 24kQ的固定電阻和WNL = 2KQ的電位器進(jìn)行調(diào)節(jié)。
[0047]電路調(diào)整步驟；如鉑電阻選用德國(guó)赫利氏產(chǎn)品PT1000，電路調(diào)整的時(shí)候先不接鉑電阻PT1000，準(zhǔn)備3個(gè)假負(fù)載電阻1000 Ω、1385 Ω和2809 Ω，分別對(duì)應(yīng)0°C、100°C和500°C。
[0048](I)接上1000Ω電阻，調(diào)節(jié)電位器WZ，使得輸出約為OmV。
[0049](2)接上2809Ω電阻，調(diào)節(jié)電位器WG，使得輸出約為5000mV。
[0050](3)接上1385Ω電阻，調(diào)節(jié)電位器WNL，使得輸出約為1000mV。
[0051](4)由于步驟(1)、(2)和(3)互相影響，重復(fù)若干次可達(dá)到優(yōu)于±0.5°C的精度。
[0052]以上是本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非對(duì)本發(fā)明作任何形式上的限制，凡是依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所做的任何簡(jiǎn)單修改、等同變化與修飾，均屬于發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種鉑電阻測(cè)溫的硬件非線性補(bǔ)償方法，其特征在于，采用非線性補(bǔ)償電路從測(cè)量電路的輸出取出一部分正反饋給測(cè)量電路輸入端，且反饋電流隨溫度升高逐漸加大，從而校正鉑電阻測(cè)溫存在的非線性誤差;構(gòu)成的測(cè)量裝置由偏置補(bǔ)償電路、測(cè)量電路、非線性補(bǔ)償電路、增益電路和基準(zhǔn)電壓電路構(gòu)成;偏置補(bǔ)償電路由三個(gè)固定電阻R8=1K、R9=10K、R10=IK和一個(gè)可調(diào)電位器WZ = IK及一個(gè)運(yùn)放Ul組成的放大器構(gòu)成，調(diào)整電位器WZ使o°c時(shí)增益電路輸出為OmV;測(cè)量電路由鉑電阻PT和一個(gè)運(yùn)放U2組成的放大器構(gòu)成，基準(zhǔn)電壓Uref =5V和固定電阻R4=20K為鉑電阻PT提供0.25mA的靜態(tài)工作電流;非線性補(bǔ)償電路由三個(gè)固定電阻抱=101(、1?6=101(、1?7 = 241(和一個(gè)可調(diào)電位器11^ = 21(及一個(gè)運(yùn)放1]3組成的放大器構(gòu)成，非線性補(bǔ)償電路從測(cè)量電路的輸出取出一部分反饋給運(yùn)放U3輸入端，從而校正鉑電阻測(cè)溫存在的非線性誤差，可調(diào)電位器WNL用于調(diào)整非線性補(bǔ)償量;增益電路由三個(gè)固定電阻尺11 = 9.11(、1?12 = 101(、1?13 = 911(和一個(gè)可調(diào)電位器￥6 = 51(及一個(gè)運(yùn)放1]4組成的放大器構(gòu)成，可調(diào)電位器WNL用于調(diào)整增益，經(jīng)過(guò)增益放大，輸出Uo為10mV/°C的模擬電壓量，乘以100就是被測(cè)溫度;基準(zhǔn)電壓電路由三個(gè)固定電阻1?1 = 4.71(、1?2 = 3001(、1?3 = 3.91(、一個(gè)電容(:1 =.0.1yF和一個(gè)可調(diào)電位器WV5 = 2K及一個(gè)ADI的高性能基準(zhǔn)源AD584L構(gòu)成，電位器WV5用于微調(diào)輸出的基準(zhǔn)電壓1][^;輸出1]。= -[(1?13+飄0/(1?11+取)]\0.25￥\{(-丫 XaXT) + (l-y ) +(γ XbXT2)}，大括號(hào)內(nèi)第一項(xiàng)是需要輸出的線性部分;第二項(xiàng)起偏置補(bǔ)償電路的作用，這一項(xiàng)近似為零;第三項(xiàng)是非線性補(bǔ)償部分;a和b是溫度系數(shù)，r=[(Rii+ffZ)/Ri2] Xtl-PT/(R7+WNL)];調(diào)整電路中三個(gè)電位器WZ、WG和WNL，可以在很寬的溫度范圍內(nèi)使后面兩項(xiàng)之和基本為零。
【文檔編號(hào)】G01K7/25GK105910726SQ201610495133
【公開(kāi)日】2016年8月31日
【申請(qǐng)日】2016年6月29日
【發(fā)明人】潘豐, 沈正陽(yáng)
【申請(qǐng)人】江南大學(xué)