1、第30卷第6期2007年12月電子器件ChineseJournalOfElectronDevicesVol.30No.6Dec.2007CompensationMethodandCircuitfortheNon2linearPropertyofThermistorPt100ZHANGZhi2yong,XINChang2yu,ZHUYu2long,JIXiao2jun(TheDepartmentofInstrumentScienceAndEngineering,Shanghai200240,China)Abstract:Aimingatasolutiontothenon2linearproper

2、tyofPt100,withitscharacteristicsandtheactualusere2quirementsofshipsequipment,anewmethodwasbroughtfortocompensatethenon2linearpropertycausedbythedecreaseoftheincreaserateofresistanceastheincreaseoftemperature.Anon2linearcompensationcircuitisde2signedforthepurposeofdynamicadjustingpromptingcurrentflow

3、inginthePt100.Thiscircuitwasdesignedbasedonboththeoreticalanalysisofprincipleandeffectofcircuitcompensationandsimulationincomputer.Theon2the2spottestofthiscircuitsuggeststhatbetweenthetemperaturerangeof0650,thenon2linearinaccuracyofcircuitoutputcanbecontrolledwithinnomorethan0.12%.Atpresent,thecircu

4、itasthecoretemperaturemeasurementandcontrolsystemhasbeenusedinanavalshipequipment.Keywords:non2linearcircuit;compensationcircuit;platinumresistance;Pt100EEACC:7230;7320RPt100,辛長宇,朱玉龍,吉小軍(上海交通大學(xué)儀器科學(xué)與工程系,上海200240)摘要:針對鉑電阻(Pt100)溫度傳感器輸出的非線性問題,結(jié)合其非線性的具體特點和船舶裝備的實際使用要求,提出了一種補償其非線性的方法,即通過動態(tài)調(diào)整流過鉑電阻的激勵電流,來補償

5、由于鉑電阻隨溫度升高阻值增加率減小而引起的非線性,并設(shè)計了專用的非線性補償電路.在對電路補償原理及效果進行理論分析和計算機模擬仿真的基礎(chǔ)上,實際制作了該非線性補償電路,并進行了現(xiàn)場測試,結(jié)果表明在0650的溫度范圍內(nèi),電路輸出的非線性誤差不超過0.12%.目前以本電路為核心的溫度測量與控制系統(tǒng)已實際應(yīng)用于某海軍船舶裝備.關(guān)鍵詞:非線性電路;補償電路;鉑電阻;Pt100中圖分類號:TP212.11文獻標識碼:A文章編號:100529490(2007)0622189203溫度是過程檢測與控制中的重要參量,在要求對溫度進行精確測量和控制的條件下,鉑熱電阻是一種應(yīng)用廣泛的溫度傳感器,它具有體積小、準確

6、度高、測溫范圍寬、穩(wěn)定性好、正的溫度系數(shù)等特點,但它同時也存在非線性的缺點1,因此在利用鉑熱電阻進行精確溫度測量時,除要克服測量電路自身的噪聲干擾外,還要對鉑熱電阻的非線性進行矯正.本文結(jié)合船舶裝備的實際使用要求,根據(jù)鉑電阻(Pt100)國際分度表函數(shù)的非線性特點2,提出了一種在0650范圍內(nèi)補償其非線性的方法,設(shè)計了專用的非線性補償電路,在對電路補償原理及效果進行理論分析和計算機模擬仿真的基礎(chǔ)上,實際制作了該非線性補償電路,并進行了現(xiàn)場測試.1鉑電阻Pt100的非線性特點及補償思路按照國際電工委員會的鉑熱電阻技術(shù)標準,鉑電阻Pt100在0650范圍內(nèi)的符合ITS-90的國際分度表函數(shù)Rt可用

7、下式表示3:2(1)Rt=R0(1+At-Bt)其中:Rt,R0分別是t和0時的鉑電阻阻值,R0=100,A=3.9080210-3-1,B=5.8019510-7-2.該分度函數(shù)的特點是覆蓋溫度范圍寬、精度高.以廣泛使用的分度值(以10為間隔)來作比較,可收稿日期:2006210220作者簡介:張志勇(19812),男,碩士研究生,研究方向為測試計量技術(shù)與儀器,jeff335.2190電子器件第30卷以看出,在0650范圍內(nèi)二階擬合值與實際標稱阻值的最大絕對誤差為0.0049,平均絕對誤差為0.0026,這時的最大相對誤差僅為1.48710-5,因此該二階擬合函數(shù)完全可以滿足高精度測量的要求

8、4.但由于函數(shù)中存在非線性項Bt2,因此隨著溫度的升高,鉑電阻的非線性越來越嚴重5,如圖1所示.非線性項系數(shù)小于零,說明電阻的變化率隨著溫度的升高而下降,要消除鉑電阻非線性對測量輸出的影響,就需要設(shè)法補償在不同溫度點時由于電阻的變化率下降而導(dǎo)致測量輸出信號減小或增加的部分.下面以恒流源激勵,電壓信號輸出測量為例,來說明本文的補償思想.圖2Pt100的非線性補償電路圖1鉑電阻()設(shè)用恒流源I,通過測量鉑電阻,則在t時鉑電阻兩端的輸出電壓為:(2)Vt=I0Rt=I0R0(1+At-Bt)如果沒有非線性項Bt2存在,輸出的電壓應(yīng)為:(3)Vt=I0Rt=I0R0(1+At)可見由于非線性項Bt存在

9、,使得實際的輸出與線性輸出相比小了I0R0Bt2,這時我們自然想到可以通過增加激勵電流來增加電壓輸出以抵消它.假定在t時讓激勵電流增加It,這樣輸出電壓將增加:(4)Vt=ItRt=ItR0(1+At-Bt)令Vt=I0R0Bt得到:It=流按It=I0(1+2)=I01+At-Bt1+At-Bt2設(shè)電路中各節(jié)點與支路上的電學(xué)參量如圖2所示,對運算放大器U1有:V1=V-I2R2,V2=V-I4R43V1,V2=V3:(7)24-R26有:(8)II2+I4,I4=0對于熱電阻的三線制連接引線電阻7有(9)R2=R3=R4=r(9)代入式(7)得:將式(8)、(10)V=-Ir即圖2中左邊電路

10、的等效電路為:-r,對輸出電壓有(11)V0=V+I(R3+Rt)(10)代入式(11)得:將式(9)、(12)V0=IRt從而補償了導(dǎo)線上的壓降8.對于運放U2有:V0=V5=V6-I1R1,V5=V6由此得到:I1=R1(13)1+At-Bt2(5)將式(12)代入上式得:(14)I1=IRt/R1設(shè)外部激勵電流Ij為(電路中取Ij=200A).將上式和支路電流關(guān)系I=I1+Ij代入式(12)得(15)V0=IRt=(I1+Ij)Rt=IRt/R1+IjRt因此,從理論上看,只要使通過熱電阻的激勵電(6)取值,則可以消除輸出電壓與溫度之間的非線性,但由于t是未知的待測參量,所以電路實現(xiàn)時只

11、能通過動態(tài)反饋的方式來實時調(diào)整通過熱電阻的激勵電流.由此得到:I=IjR1/(R1-Rt)(16)2Pt100的非線性補償電路的設(shè)計與分析根據(jù)上述補償思想,設(shè)計的補償電路如圖2所示,通過動態(tài)調(diào)整流過Pt100的電流來實現(xiàn)電壓輸出非線性的補償,同時考慮到熱電阻的安裝需要較長的導(dǎo)線,因此設(shè)計的電路也兼顧引線補償功能.下面對本電路的工作原理給以分析說明.電路中就是通過該式來近似實現(xiàn)式(6)的要求,需要特別說明的,本式中的Ij與式(6)中I0的意義是不同的,式(6)中I0代表參考溫度下流過熱電阻的電流;而式(16)中的Ij是恒流源的輸出電流,在圖2所示電路中,任何溫度下流過熱電阻的電流都不等同于Ij,

12、因此并不能簡單地將式(6)和式(16)作相等比較.這時熱電阻輸出電壓為:(17)V0=IjR1Rt/(R1-Rt)定性分析此式可以看出,溫度升高時,Rt增加率第6期張志勇,辛長宇等:Pt100溫度傳感器非線性的補償方法與電路實現(xiàn)2191減小,但此時R1/(R1-Rt)增加率隨之增大,通過選擇合適的R1,Rt使增加率減小的效果與R1/(R1-Rt)增加率隨之增大的效果剛好相抵消,則可以實現(xiàn)線性輸出的目的.從電路上看,隨著溫度的升高,Rt單位溫度的阻值變化量減少,但同時Rt的增大使得I1增大,I也隨之增大,即流過Rt的電流增大,這樣單位阻值的輸出電壓變化量增大,當(dāng)兩個相反的作用剛好抵消時,輸出電壓

13、與溫度就成了線性關(guān)系.4實驗測試與結(jié)論為了進一步驗證本文提出的Pt100非線性補償方法的實際效果,我們按圖2設(shè)計制作了相應(yīng)的非線性補償電路并進行了實際測試.測試時利用精密電阻箱代替Pt100,并按Pt100的分度表來設(shè)置不同溫度時的阻值,測試結(jié)果如表1所示.由電路實際輸出值擬合得到的直線為:V0=0.092061t+21.272(mV),由表中實驗數(shù)據(jù)可以看出,實際制作電路的非線性誤差不超過0.12%,且與理論仿真結(jié)果吻合很好.表10200測量范圍測試結(jié)果t/3R1阻值的確定與補償效果的仿真從上面分析可以看出,本電路能否實現(xiàn)預(yù)期非線性補償功能的關(guān)鍵在于R1阻值的選擇.從理論上講可以通過將式(1

14、7)展開,并令其二階以上項的系數(shù)為零來求R1,但由于式(17)為無理分式,所以無法通過此方法求出.這里采用數(shù)值解法9來優(yōu)化R1的取值.目標函數(shù)定為V0與t的最大非線性誤差小于某個給定的值.優(yōu)化時任意給定一個R1值,取溫度t=0650,按式(17)計算輸出,再通過線性回歸方法求出V0與t(就是最大非線性誤差).一定的搜尋規(guī)則改變10及V0與t.這里我們?nèi)∧繕撕瘮?shù)(V0與t的最大非線性誤差)為10-5,按上述方法進行優(yōu)化得到R1為2364.6,結(jié)合電阻系列標準,最后選取R1=2.4k,圖3所示為補償前后的輸出曲線.這時V0與t的擬合直線為:(18)V0=0.085509t+20.856(mV)阻值

15、/1004050212.02247.04280.90313.59329.51V0/mV實際輸出值線性擬合值21.3939.648.958.067.376.681.1272875135.081239.684248.890358.096467.302576.508681.1116相對非線性誤差/%0.03450.03080.02700.02320.10380.01200.11880.00310.11270.0144050400500600650通過理論分析、計算機模擬仿真和實際電路制作與測試,表明本文所提方法可以對鉑電阻(Pt100)在較寬的溫度范圍內(nèi)實現(xiàn)高質(zhì)量的非線性補償,同時還可以通過調(diào)節(jié)激勵

16、電流對輸出電壓進行適當(dāng)?shù)姆糯?因此該補償電路有望在高精度的鉑熱電阻溫度測量場合發(fā)揮重要作用.目前以本電路為核心的溫度測量與控制系統(tǒng)已實際應(yīng)用于某海軍船舶裝備.參考文獻:1周勝海.傳感器非線性的硬件校正方法J.傳感器技術(shù),2002,21(05),124.圖3補償前后的輸出曲線2王勇,王曉東.高精度鉑電阻測溫非線性校正方法J.測控技術(shù),2004,23(07),75276.3趙耿,高恩來.一種鉑電阻測溫儀用雙補償電路及其設(shè)計J.456789圖4所示為補償電路理論輸出與上式線性擬合輸出之間的誤差曲線,可以看出在t=0650內(nèi)補償電路實際輸出的最大非線性誤差為不超過0.05%.儀表技術(shù),1999,4,29231.趙嵐齊德榮.熱電阻測溫電路非線性補償J.傳感器技術(shù),2002,21(5),4