摘要：近年来，随着我国经济的快速发展和科学技术的不断提高，高温检测系统设计越来越完善。铂热电阻温度传感器被视为最为理想的测温元件，因其测量范围大，测量精度高，性能稳定性好，抗振性能强，机械强度高，耐高温耐压性能好等优点，被广泛使用于各种实际测量环境下。然而，在高温环境下，外界待测温度会对测量电路和温度传感器造成一定程度的影响，严重制约了温度检测系统的精度，为了提高基于铂热电阻测温系统的检测精度，本文提出了一种基于优化电路参数及阻温方程参数的温度检测系统设计，基本实现了对待测温度测量区间的参数优化设计，并通过FDM型3D打印喷头实验平台，验证了本设计方法的有效性，有效提高了温度测量的准确性。
关键词：热电阻；惠斯登桥；温度测量；优化设计；线性拟合
引言
为了实现基于金属铂材料制作的热电阻温度传感器在高温测量环境下实现对温度数据的高精度测量，提出一种基于优化电路参数及阻温方程参数的温度检测系统设计方案。设计利用恒压源电路，获得稳定的理想电压，通过不平衡电桥差分放大电路和二阶有源滤波电路得到理想采集信号；设计优化了电路参数，校正了铂热电阻因高温产生的非线性。通过熔融沉积成型（FDM）3D打印喷头实验平台，验证了设计方案的有效性，实现了在高温测量环境下对温度数据高精度测量的目的。
1检测系统电路设计
Pt100型铂热电阻测温原理是金属铂的电阻阻值会随温度的增加而增加。传统的温度测量方法便是利用铂热电阻的这种特性，测量在恒定电路中的铂热电阻两端电压，反推其电阻阻值，最后根据铂热电阻的阻温特性函数关系得到测量环境的温度值。常用引线接法有两线制、三线制和四线制。其中，两线制接法最为简单，但因为引入了不可控的引线电阻，因此会对测量精度产生较大的影响，一般只使用在对测量精度要求不高的简单测试中；有人提出了恒流源驱动四线制铂热电阻测量方法，四线制接法将电源线与信号线分离开来，可以较好避免引线电阻引起的测量误差，但在获得高精度测量结果的同时，也会显著增加设备成本和设计复杂度；三线制接法有效兼顾了测量精度和成本之间的关系，被广泛应用在工业测量领域。通过研究对比各种测量方法的优缺点，设计了一种基于恒压源控制的三线制惠斯登差分放大测量电路，并通过优化电路参数使得电压变化范围最大化，后利用压控二阶低通滤波器有效抑制了电路噪声对采样信号的影响，得到了准确性较高的电压值，从而可以更加精确的计算出铂热电阻的阻值变化。
1.1恒压源驱动电路
恒压源电路为惠斯登桥差分放大电路提供电压，其电压的稳定性对参考电压与测量点电压的准确度有着直接影响。因此，输出电压的稳定性是恒压源电路设计的重要标准。电阻型温度传感器的自热效应是对测量精度影响的另一重要因素，使用电阻型温度传感器时，其自热效应必须注意。针对本文所采用的Pt100型热电阻而言，必须保证其耗散功率不超过0．1mW，所以设计恒压源输出电压为0．3V，输入电压采用低功率、低飘移的ＲEF3030芯片产生的基准电压。
1.2二阶压控滤波电路
电路数据采集过程中，不可避免地会混入干扰信号。常见的电路干扰信号有频率在50Hz或60Hz的工频噪声以及其他高频设备产生的噪声等。一阶低通滤波器的幅频特性下降速率为－20dB/十倍频，不能很好地将电路中的噪声频率滤除，为了提高滤波效率，本文采用二阶有源滤波电路，使得噪声的衰减率可以达到－40dB/十倍频，并且在有效抑制电路噪声的同时避免了因为滤波电路电阻消耗产生的放大倍数降低。
2检测系统参数优化
2.1电路参数优化
为了提高获取信号的信噪比，需要通过配置不同的电桥电阻，使得电压输出变化范围最大化，从而进一步得到更加精确温度变化测量结果。
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2.2特征参数线性校正优化
由阻温特征曲线知，随着外界温度的升高，铂热电阻的非线性越来越严重，使得高温环境直接计算会对处理器产生较大的计算量，在严重制约测量系统的实时性的同时，普通嵌入式处理器对多位浮点数的计算精度也会严重影响温度的真实值。因此，有必要对其特征参数进行适当的校正和线性化处理，以提高器测量的精度。
3实验验证
3.1实验步骤
根据上述电路优化原理可以得到对Pt100型铂热电阻测温系统的优化方法，其步骤如下：1）根据初始特征参数函数关系，确定在待测温度区间的边界阻值ＲT1和ＲT2；2）根据电路优化方程计算惠登通电桥分压电阻值Ｒ1和仪表差分放大电路反馈电阻值ＲG的优化结果；3）利用精密加热控制系统，使得精密温度传感器所测得的真实边界温度达到T1和T2，并利用本文提出温度检测系统对加热系统进行测量得到T'1和T'2；4）判断是否T1－ΔT＜T'1＜T1+ΔT和T2－ΔT＜T'2＜T2+ΔT同时成立，其中ΔT为允许误差，如果是，则结束进行步骤（6），否则，进行步骤（5）；5）反向求取T'1和T'2所对应的铂热电阻阻值Ｒd和Ｒu，并与边界温度T1和T2代入标准阻温函数关系式中，修正得到特定温度区间内的特征参数A和B，并返回步骤（1）；6）利用端基线线性集合求得在待测温度区间［T1，T2］内线性优化方程（式（9））。
3.2实验结果
为了验证本文所提出优化方法的有效性，本文以STM32F103ZET6处理器为核心设计了温度检测电路，并利用高精度热电偶温度采集仪和加热可控的FDM型3D打印喷头加热平台对本文提出的温度检测系统进行了温度测量验证，设定目标温度区间390～410℃以验证本测温系统在高温环境下的实际使用情况。当目标温度区间设定为390～410℃时，因为高温对测量系统的影响，直接测量会产生较大的误差，需要对特征函数参数进行优化。
结语
通过实验表明，本文所提出的温度检测系统即使在高温测量区间内，也可以有效的减少电路干扰信号对测量结果的影响，得到较为准确的测量结果，测量误差在±0．5℃内，基本达到了设计要求。
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论文作者:刘靖璐
论文发表刊物:《基层建设》2019年第12期
论文发表时间:2019/7/19
标签：测量论文; 热电阻论文; 电路论文; 温度论文; 测温论文; 电压论文; 参数论文; 《基层建设》2019年第12期论文;