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Pt100 的特性
鉑電阻是用很細的鉑絲(Ф0.03～0.07mm)繞在云母支架上制成，是國際公認的高精度測溫標準傳感器。因為鉑電阻在氧化性介質中，甚至高溫下其物理、化學性質都非常穩定，因此它具有精度高、穩定性好、性能可靠的特點。因此鉑電阻在中溫(-200～650℃)范圍內得到廣泛應用。目前市場上已有用金屬鉑制作成的標準測溫熱電阻，如Pt100、Pt500、Pt1000等。
它的電阻—溫度關系的線性度非常好，如圖1所示是其電阻—溫度關系曲線，在-200～650℃溫度范圍內線性度已經非常接近直線。
鉑電阻阻值與溫度的關系可以近似用下式表示：
在0～650℃范圍內：
Rt =R0 (1+At+Bt2)
在-190～0℃范圍內：
Rt =R0 (1+At+Bt2+C(t-100)t3)
式中A、B、C 為常數，
A=3.96847×10-3；
B=-5.847×10-7；
C=-4.22×10-12；
圖1 Pt100 的電阻—溫度關系曲線
Rt 為溫度為t 時的電阻值；R0 為溫度為0℃時的電阻值，以Pt100 為例，這種型號的鉑熱電阻，R0 就等于100Ω，即環境溫度等于0 度的時候，Pt100 的阻值就是100Ω。當溫度變化的時候，Pt100 的電阻也隨之變化，通過以上電阻-溫度表達式便可以計算出相對應的溫度。
在實際應用中，一般使用單片機來進行溫度的計算，由于該表達式比較復雜，用單片機處理這樣的計算過程，將會占用大量的資源，程序的編寫上也相當復雜，所以一般采用先查表，再插值的方法換算出溫度。
Pt100 測溫原理
Pt100 是電阻式溫度傳感器，測溫的本質其實是測量傳感器的電阻，通常是將電阻的變化轉換成電壓或電流等模擬信號，再將模擬信號轉換成數字信號，再由處理器換算出相應溫度。采用Pt100 測量溫度一般有兩種方案：
1.設計一個恒流源通過Pt100 熱電阻，通過檢測Pt100 上電壓的變化來換算出溫度；
2.采用惠斯頓電橋，電橋的四個電阻中三個是恒定的，另一個用Pt100 熱電阻，當Pt100電阻值變化時，測試端產生一個電勢差，由此電勢差換算出溫度。
兩種方案的區別只在于信號獲取電路的不同，其原理上基本一致，如圖2 所示。
圖2 Pt100 測溫原理
如圖3 所示，是以華邦的78E51 單片機為處理器，采用恒流源為信號獲取電路的測溫方案，恒流源通過Pt100 熱電阻，溫度變化引起Pt100 電阻值的變化，從引起電壓的變化，放大后經AD 采用后，送由單片機處理，換算出相應溫度。
為了達到高精度、寬量程的測溫要求，選用的是AD 轉換芯片是12 位串行AD 芯片MAX1270。
圖3 采用恒流源的Pt100 測溫方案
提高Pt100 測溫精度的方案
4.1 通過改善Pt100 接線方式對誤差進行補償鉑熱電阻的使用，一般有三種接法，分別是二線制接法、三線制接法和四線制接法,如圖4所示，不同的接法適應于不同的精度要不求。
1.二線制接法：如圖4(a)所示，這種接法不考慮Pt100 電纜的導線電阻，將A/D 采樣端與電流源的正極輸出端接在一起，這種接法由于沒有考慮測溫電纜的電阻，因此只能適用于測溫距離較近的場合。
2.三線制接法：如圖4(b)所示,這種接法增加了用于A/D 采樣的補償線，三線制接法消除了連接導線電阻引起的測量誤差，這種接法適用于中等測溫距離的場合。
3.四線制接法：如圖4(c)所示，這種接法不僅增加了A/D 采樣補償線，還加了一條A/D對地的補償線，這樣可以近一步的減小測量誤差，可以用于測溫距離較遠的場合。如果只從精度上考慮，采用四線制接法效果最好。
4.2 通過對采樣信號進行濾波減小隨機誤差由于外界干擾或某些不可預知的因素，模擬量在受到干擾后，經A/D 轉換后的結果偏離了真實值，可能會出現一些隨機的誤差，如果只采樣一次，無法確定結果是否可信。必須通過多次采樣得到一個A/D 轉換的數據序列，通過軟件算法處理后才能得到一個可信度較高的結果。這種方法就是數字濾波。
圖5 去極值平均濾波程序流程圖
濾波器是一種能使有用頻率信號通過而同時抑制(或大為衰減)無用頻率信號的電子裝置，可分為模擬濾波器和數字濾波器。模擬濾波器是主要采用R、L、C 等無源器件組成的濾波電路或由運放和R、C 組成的有源濾波器。而數字濾波則是采用軟件算法實現濾波的。數字濾波的前提是對同一數據進行多次采樣，在單片機系統中一般有以下幾種方法：
1.中值濾波：一般采樣5、7 次，排序后取中間值。
2.算術平均濾波：一般采樣8 次，求平均值。
3.去極值平均濾波：去掉最大最小值后求平均值一般采樣10、12 次。
4.加權平均濾波：各加權系數之和為1。
5.滑動平均濾波：本次采樣值和前n 次采樣值求平均。
數據濾波方法選用要視現場環境和被測對象而定，在本系統中采用的是去極值均值濾波，算術平均濾波不能將明顯的脈沖干擾或粗大誤差消除，只能將其影響削弱。因明顯干擾或粗大誤差使采樣值遠離其實際值，可以比較容易地將其剔除，不參與平均值計算，從而使平均濾波的輸出值更接近真實值。以去極值平均濾波為例，程序流程圖如圖5 所示。算法原理如下：對于溫度信號對應的電壓采樣值，連續采樣n 次，將其累加求和，同時找出其中最大值和最小值，再從累加和中減去最大值和最小值，按n-2 個采樣值求平均，即有效采樣值。
4.3 通過插值算法校正Pt100 的非線性度
由Pt100 的特性可知，雖然Pt100 的線性度比較好，但是由于其溫度—電阻函數關系并非線性，用單片機運算則占用資源和時間都比較多。通常采用查表和線性插值算法進行標度變換的方法計算出溫度，不僅運算快、占用單片機內部資源少，而且可以一定程度上對Pt100 進行線性化校正，從而達到非常精確的測溫效果。要查表首先要在單片機的ROM 區建立一個電阻—溫度分度表，在檢測值的范圍內均勻選擇若干個標定點，標定的點數越多則表格越大，對系統的描述也越精確。Pt100 的鉑電阻溫度分度表，可以向Pt100 的廠商索要，考慮到單片機的程序存儲空間資源和實際的測量精度要求，并不需要每隔一攝氏度就取一個標定點，根據精度要求選擇適當的溫度間隔。例如[5]在-200～650℃范圍內每隔5℃標定一個Pt100 的電阻值，即共171 個標定點，分別記作
R[ i]，對應的溫度記作T[ i]，i 取0～170。
圖5 插值算法示意圖
如圖5 所示，采用線性插值算法進行標度變換時，將檢測值Rx 通過順序查表，與標定點R[ i]比較，確定區間R[ i] <Rx<R [i+1]，然后進行線性插值算法求得溫度值Tx：
- Tx=T[i]+ ((Rx-R[i])/( R[i+1]-R[i]))* (T[i+1]-T[i])
- 因為是每隔5℃標定一個電阻值，所以T[i+1]- T[i]=5，即：
- Tx=T[i]+5*(Rx-R[i]/R[i+1]-R[i])
- ［舉例］：現經A/D 采樣和濾波得Pt100 的電阻值為Rx=112.68Ω，求此時實測對象的溫度Tx。
- 解：已知查Rx=112.68Ω，
- 表得 R[46]<Rx<R[47],
- R[46]＝111.67Ω，R[47]＝113.61Ω,
- T[46]=30℃,
- 代入式2 得：
- Tx=T[46]+5*(Rx-R[46])/(R[47]-R[46])=30+5*(112.68-111.67)/(113.61-111.67)=32.60
- 答：此時實測對象的溫度Tx 為32.60℃。
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2018-12-9 20:15 上傳
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