引 言

鉑熱電阻溫度傳感器被視為#為理想的測溫元件，因其測量范圍大，測量精度高，性能穩(wěn)定性好，抗振性能強(qiáng)，機(jī)械強(qiáng)度高，耐高溫耐壓性能好［1］等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛使用于各種實(shí)際測量環(huán)境下。然而，在高溫環(huán)境下，外界待測溫度會(huì)對測量電路和溫度傳感器造成一定程度的影響，嚴(yán)重制約了溫度檢測系統(tǒng)的精度，為了提高基于鉑熱電阻測溫系統(tǒng)的檢測精度，本文提出了一種基于優(yōu)化電路參數(shù)及阻溫方程參數(shù)的溫度檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)，基本實(shí)現(xiàn)了對待測溫度測量區(qū)間的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，并通過 FDM 型 3D 打印噴頭實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，驗(yàn)證了本設(shè)計(jì)方法的有效性，有效提高了溫度測量的準(zhǔn)確性。

 

1 檢測系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

Pt100 型鉑熱電阻測溫原理是金屬鉑的電阻阻值會(huì)隨溫度的增加而增加［2］。傳統(tǒng)的溫度測量方法便是利用鉑熱電阻的這種特性，測量在恒定電路中的鉑熱電阻兩端電壓，反推其電阻阻值，#后根據(jù)鉑熱電阻的阻溫特性函數(shù)關(guān)系得到測量環(huán)境的溫度值。

 

常用引線接法有兩線制、三線制和四線制。其中，兩線制接法#為簡單，但因?yàn)橐�入了不可控的引線電阻，因此會(huì)對測量精度產(chǎn)生較大的影響，一般只使用在對測量精度要求不高的簡單測試中; 有人提出了恒流源驅(qū)動(dòng)四線制鉑熱電阻測量方法，四線制接法將電源線與信號線分離開來，可以較好避免引線電阻引起的測量誤差，但在獲得高精度測量結(jié)果的同時(shí)，也會(huì)顯著增加設(shè)備成本和設(shè)計(jì)復(fù)雜度; 三線制接法有效兼顧了測量精度和成本之間的關(guān)系，被廣泛應(yīng)用在工業(yè)測量領(lǐng)域。

 

通過研究對比各種測量方法的優(yōu)缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種基于恒壓源控制的三線制惠斯登差分放大測量電路，并通過優(yōu)化電路參數(shù)使得電壓變化范圍#大化，后利用壓控二階低通濾波器有效抑制了電路噪聲對采樣信號的影響，得到了準(zhǔn)確性較高的電壓值，從而可以更加精que的計(jì)算出鉑熱電阻的阻值變化。

 

1． 1 恒壓源驅(qū)動(dòng)電路

恒壓源電路為惠斯登橋差分放大電路提供電壓，其電壓的穩(wěn)定性對參考電壓與測量點(diǎn)電壓的準(zhǔn)確度有著直接影響。因此，輸出電壓的穩(wěn)定性是恒壓源電路設(shè)計(jì)的重要標(biāo)準(zhǔn)。電阻型溫度傳感器的自熱效應(yīng)是對測量精度影響的另一重要因素，使用電阻型溫度傳感器時(shí)，其自熱效應(yīng)必須注意［3］。針對本文所采用的 Pt100 型熱電阻而言，必須保證其耗散功率不超過 0． 1 mW［4］，所以設(shè)計(jì)恒壓源輸出電壓為 0． 3 V，輸入電壓采用低功率、低飄移的 ＲEF3030 芯片產(chǎn)生的基準(zhǔn)電壓。恒壓源電路如圖 2 所示。

 

在該系統(tǒng)中輸入電壓 U0 = 3 V，輸出電壓滿足

 

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3． 1 實(shí)驗(yàn)步驟

根據(jù)上述電路優(yōu)化原理可以得到對 Pt100 型鉑熱電阻測溫系統(tǒng)的優(yōu)化方法，其步驟如下:

1) 根據(jù)初始特征參數(shù)函數(shù)關(guān)系，確定在待測溫度區(qū)間［T1，T2］的邊界阻值 ＲT1和 ＲT2 ;

2) 根據(jù)電路優(yōu)化方程計(jì)算惠登通電橋分壓電阻值 Ｒ1和儀表差分放大電路反饋電阻值 ＲG 的優(yōu)化結(jié)果;

3) 利用精密加熱控制系統(tǒng)，使得精密溫度傳感器所測得的真實(shí)邊界溫度達(dá)到 T1 和 T2，并利用本文提出溫度檢測系統(tǒng)對加熱系統(tǒng)進(jìn)行測量得到 T'1和 T'2 ;

4) 判斷是否 T1 － ΔT ＜ T'1 ＜ T1 + ΔT 和 T2 － ΔT ＜ T'2 ＜T2 + ΔT 同時(shí)成立，其中 ΔT 為允許誤差，如果是，則結(jié)束進(jìn)行步驟( 6) ，否則，進(jìn)行步驟( 5) ;

5) 反向求取 T'1和 T'2所對應(yīng)的鉑熱電阻阻值 Ｒd 和 Ｒu，并與邊界溫度 T1 和 T2 代入標(biāo)準(zhǔn)阻溫函數(shù)關(guān)系式中，修正得到特定溫度區(qū)間內(nèi)的特征參數(shù) �淎 和 �淏，并返回步驟( 1) ;

 

6) 利用端基線線性集合求得在待測溫度區(qū)間［T1，T2］內(nèi)線性優(yōu)化方程( 式( 9) ) 。

 

3． 2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn) 證 本 文 所 提 出 優(yōu) 化 方 法 的有效性，本 文 以STM32F103ZET6 處理器［7］為核心設(shè)計(jì)了溫度檢測電路，并利用高精度熱電偶溫度采集儀和加熱可控的 FDM 型3D 打印噴頭加熱平臺(tái)對本文提出的溫度檢測系統(tǒng)進(jìn)行了溫度測量驗(yàn)證，設(shè)定目標(biāo)溫度區(qū)間 390 ～ 410 ℃ 以驗(yàn)證本測溫系統(tǒng)在高溫環(huán)境下的實(shí)際使用情況。優(yōu)化結(jié)果如表 1 所示。

 

當(dāng)目標(biāo)溫度區(qū)間設(shè)定為 390 ～ 410 ℃時(shí)，因?yàn)楦邷貙�測量系統(tǒng)的影響，直接測量會(huì)產(chǎn)生較大的誤差，需要對特征函數(shù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得到如表 2 測量數(shù)據(jù)

 

4 結(jié) 論

通過實(shí)驗(yàn)表明，本文所提出的溫度檢測系統(tǒng)即使在高溫測量區(qū)間內(nèi)，也可以有效的減少電路干擾信號對測量結(jié)果的影響，得到較為準(zhǔn)確的測量結(jié)果，測量誤差在 ± 0． 5 ℃內(nèi)，基本達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。