超低温精密智能铂电阻温度变换器设计

刘 辉，张 恽，董 帅

超低温精密智能铂电阻温度变换器设计

刘 辉，张 恽，董 帅

（北京遥测技术研究所 北京 100076）

以16位MSP430 CPU为核心，通过可编程增益模数转换器AD7715的应用，实现涵盖超低温度在内的全量程温度测量。利用AD7715自带的校准功能，消除增益与零点的漂移和误差，设计出免于调试、可完全互换的铂电阻测试数字化、智能化平台。通过不同温度段温度--电阻函数，解决温度精确计算的难题。测试结果表明：智能铂电阻温度变换器可以与各不同温度段的铂电阻温度传感器匹配，通过简便的传感器校准特性输入设置，消除通用传感器特性造成的误差，获得更高的测试精度。

超低温度测量；智能温度变换器；增益与零点自校准；非线性校准

引 言

目前常用的温度测量方式有：热电偶、铂电阻、热敏电阻、红外传感器。1990年国际温标（ITS-90）是目前国际通用的最新国际温标，其中第三温区：13.8033K~1234.93K用铂电阻温度计定义。铂电阻被认为是当今高精度温度测量的主要敏感元件，其具有性能稳定和可靠性高的特点，常用于–250℃~650℃区间温度测量。以液氢为燃料、液氧为添加剂的超低温介质在航天、工业等领域中已经获得广泛使用，如何实现涵盖液氢、液氧超低温温度范围的精确测量是不可回避的问题，因此迫切需要研制新型铂电阻温度变换器，实现超低温度、宽温度（跨不同的温区）的高精度测量。数字智能技术的发展，为实现测量提供了途径，特别是带模拟前端的模数转换器ADC（Analog-to-digital Converter）、具有各种接口功能的CPU已经大量上市，为传感器信号接入数字器件、直接完成采样与数据处理、实现数字量智能变换器提供了捷径。

1 现有铂电阻模拟温度变换器的不足

1.1 铂电阻敏感元件的温度特性

铂电阻测温敏感元件分为绕线型和薄膜型。铂的纯度与电阻的温度系数相关。日本和德国都建立了代号不同、基本内容相同的铂电阻敏感元件工业标准，即铂电阻阻值与温度的关系如下：

① 0℃~600℃时，

② –200℃~0℃时，

其中，为温度值（℃）；0为温度0℃时的电阻；R为温度时的电阻；

③ –200℃以下时，需要通过铂电阻标定获得阻值与温度的关系。

对不同交付批次薄膜铂电阻超低温传感器特性对比，不同批次的温度传感器20K~70K温度范围分度表电阻值具有较大的分散性。

低温液氮沸点（温度为77K）以上，铂电阻敏感元件电阻—温度是多次项函数关系；超低温液氢（三相点的温度为13.81K）、液氧（三相点的温度为54.361K）情况下，电阻–温度是更复杂的函数关系。中国科学院低温计量测试站标定的超低温铂电阻温度传感器（编号16B1322#）分度表超低温特性示于图1。

图1 铂电阻超低温特性

通过式（1）计算可以知道如果仅用线性变换器、采用线性方程替代会带来不同程度的温度测量误差，如表1所示。

表1 铂电阻非线性误差

1.2 铂电阻敏感元件互换性误差

铂电阻敏感元件精度分为A、B两个等级。直接采用式（1）、式（2）本身就存在测温误差。

其中A级精度的敏感元件误差为

B级精度的敏感元件误差为

铂电阻敏感元件测温误差见表2。

表2 铂电阻敏感元件测温误差

1.3 模拟铂电阻温度变换器使用范围

通过式（1）、式（2）可以知道，铂电阻温度传感器只有在正温及–100℃以上（忽略式（2）高次方项，最大误差0.21℃）时，电阻与温度的关系近似为二次方的关系，近似用式（1）代替。将敏感元件接入正反馈电路后，可以实现铂电阻温度传感器电阻–温度非线性校正，电压输出与温度成线性关系，实现温度的准确测量，非线性误差校正精度可以达到0.1%。

因此模拟铂电阻温度变换器存在如下两个缺陷：

① 不能消除敏感元件互换性所带来的误差，要提升测温精度，必须采用传感器分度值与变换器配对调试，给使用带来极大不便。

② 温区应用范围只有在正温及–100℃以上才能到达很好的精度，温区应用范围受到限制，简单模拟电路无法线性化铂电阻温度传感器复杂的温度特性函数，无法准确测量超低温度。

因此铂电阻温度变换器在超低温测量时需要对信号进行复杂的非线性变换，才能准确测温。

2 智能铂电阻温度变换器方案设计

设计超低温精密测量智能铂电阻温度变换器要达到的目的就是：解决铂电阻对液氢、液氧类超低温介质的高精度测量问题；提供通用或专用分度表用于不同应用场合，通过简便的传感器特性设置就可以实现温度精确测量，并且能与不同量程的铂电阻传感器匹配，实现全温区的准确测量，以及满足对智能变换器价格低、可靠性高、制造便捷的要求。

智能铂电阻温度变换器具有的功能：传感器特性参数可输入；现场温度显示；模数转换器DAC（digital-to-analog converter）输出可选择4mA~20mA电流或0.1V~4.9V电压输出。

超低温精密测量智能温度变换器的设计充分考虑工业现场使用，为确保CPU系统长时间工作的可靠性，采用电源地线隔离设计，防止接地干扰造成的温度测量不准、系统死机等现象。智能铂电阻温度变换器系统如图2所示。

图2 智能铂电阻温度变换器系统

传感器信号敏感方式采用恒流源激励，地线隔离的CPU系统采用3.3V供电，考虑到液氢、液氧类低温介质应用环境，电路采用了本安防爆设计。

3 硬件设计

3.1 温度敏感方式

四线制铂电阻温度传感器是精度最高的测量方式，温度测量采用四线制温度传感器，消除了传感器引线电阻带来的测温误差。

四线制测温方法如图3所示，通过恒流方式，可以直接获取铂电阻敏感元件的电压s，测试出铂电阻值R，消除了传感器引线电阻（r1、r2、r3及r4）带来的测量误差情况。

3.2 电路设计

考虑到温度为缓变量、低频信号，采用∑–Δ型无失码16位AD转换器AD7715，传感器差分信号分别经无源RC滤波后进入AD7715输入端。AD7715含有带差分输入的完整模拟前端，具有可编程增益功能，可以直接接收传感器输出的低幅值信号。器件内部直接带数字滤波，可以有效消除转换过程带来的噪声。可编程设置滤波器的陷波点，有效抑制工频干扰。可编程增益功能简化了电路，节省了放大器设计，保证了电路的一致性，免除模拟前向通道的电路调试。基准电压采用与恒流源同源电压，消除基准漂移、噪声带来的转换误差。

图3 四线制测温方法

CPU选择Ti公司的MSP430系列16位超低功耗单片机MSP430F2132，其具有如下特点：16位CPU通过总线连接到存储器和外围模块；资源透明、调试便捷的JTAG接口仿真功能；多时钟能够降低功耗；8KB+256B Flash 存储器，512B RAM，其中256B信息存储器提供了更灵活的编程与擦除方式，可在线存储、记录传感器的特性及温度输出特性系数，无需再扩展可编程器件；两个16位定时器，具有灵活的捕获/比较寄存器；各类通用串口（UART/SPI接口）；降电压监视；看门狗功能。这是一款价格低、适宜于相对简单算法与数据处理场合的控制器。

DA转换设计采用16位AD420。通过引脚设置，可以提供电流或电压输出方式。数据输入通过光耦，采用SPI接口与CPU相连。简化了DA转换后电压/电流的转换，提高了可靠性和输出精度。

显示及键盘控制器采用ZLG7289BS，连接4位数码管和4个数据设置键盘。具有多种显示控制功能，大大减轻了显示的编程负担。采用SPI接口与CPU相连。4位数码管显示单位为K，小数点后保留1位小数；4个键盘用于输入传感器特性参数。虽然采用扫描显示，但该器件表现出良好的电磁兼容特性。

隔离DC/DC采用Ti公司的DCP010505BP，具有良好的转换效率，提供数码管显示所需电流。

4 软件设计

4.1 软件流程

系统加电后，进入时钟、看门狗、显示器、ADC、DAC的初始化设置，随后进入测试程序。软件流程示于图4。

测试时每隔10秒，对AD7715进行自校准，消除温度、时间引起的漂移。采样传感器电压，计算铂电阻阻值，完成温度的计算。将计算出的温度送显示控制器，根据软件中设定的初始和满量程值计算出相应的数字量，送DAC输出。

图4 软件流程

4.2 铂电阻值的测试

4.2.1 AD7715的设置

在AD7715进入测试及增益切换时采取AD自校准。AD7715的自动增益校准、调零有效消除了增益、零点漂移产生的误差，保证了前向通道的精度和稳定性，确保超低温度的测量精度。

AD7715采用数字滤波，Z域滤波器传递函数为

频率域特性

其中，s为采样频率。

在AD7715软件设置中，第一陷波点设置为50Hz，有效抑制耦合进来的工频干扰，衰减优于100dB。–3dB滤波截止频率设置在13.1Hz。从AD7715滤波器的频率响应特性可以知道，低通滤波器具有极好的衰减特性。

4.2.2 铂电阻值的计算

除了AD7715自身携带的滤波器外，在软件中增加滤波环节，消除AD7715转换输出噪声，有效提升滤波器在高增益时的采样位数。滤波方法采用算术平均值法及程序判断滤波法相结合，既充分考虑温度值作为缓变量，也防止应用环境的变化所带来的温度突变，提升智能温度变换器的响应速度。通过算术平均值法有效获得16位AD采样值，抑制数据波动。电阻计算采用下式：

其中，()为测试结果，()为当前获取值，(–1)为前次采用的计算值。

通过软件后置低通滤波，有效提升AD7715在高增益时的分辨率，确保了高增益情况下的采样精度，消除了噪声带来的误差。

4.3 温度计算

完成敏感元件电阻测试后有两种算法可以得到测量温度，即：方法一，将传感器分度表存入存储器，再采取搜索、插值算法计算出温度；方法二，根据分度表拟合出特性方程，通过特性方程计算出温度。前者要占用大量的存储空间，在后续智能变换器与传感器更换配对使用时需要输入分度表数据；后者只需拟合校准数据方程，便于后续智能变换器与传感器配对使用。

本超低温精密智能温度变换器采取拟合分度表特性方程的算法。

根据《1990年国际温标》（ITS-90）标准，温度值90（单位为开尔文）是由该温度时的电阻(90)与水三相点时的电阻(273.16)之比来求得的。比值(90)为

根据国际温标（ITS-90）标准，采用高纯度、无应变的铂丝制成的铂电阻标准温度计90的参考函数可以用标准式（10）、式（12）给出的W(90)值。但考虑到传感器敏感元件的不同，精密温度测量计算(90)需要使用偏差函数。(90)–W(90)的偏差函数是个多项式，多项式系数通过对固定点的测量计算获得，可以获得特定铂电阻温度传感器比值(90)。

① 对于13.8033K~273.16K的温区，规定了下面的参考函数：

在0.1mK的误差内，等效于式（10）的反函数是

（11）

② 对于0℃到961.78℃的温区，规定了下面的参考函数：

在0.13mK的误差内，等效于式（12）的反函数是

（13）

式（10）~式（13）有关参数的常数见表3。

偏差函数中，系数是通过测量温区固定点测量值计算求解获得，因此在拟合曲线时，只需将固定点的分度值纳入拟合范围、选取适当多的点，采用不同的温度区间、分段拟合的方法就可以精确拟合出(90)与90特性方程，从而解决温度的精确测量。

将拟合后的方程特性系数写入CPU进行存储，就可以完成温度的计算。要实现温度的精准测量，必须采用传感器与变换器配对的方式，将传感器特性参数输入到对应的智能变换器中，可以实现全部温区温度的精准测量。

表3 式（10）~式（13）中的常数

如果不考虑A级、B级敏感元件的差异，可以将式（1）、式（2）多项式系数直接输入，获取0℃~600℃、0℃~200℃温度计算值。

通过键盘显示控制器提供的4键键盘，可以将传感器分段特性、输出零点、满量程特性数据写入CPU的信息存储器，快速实现传感器特性、智能变换器特性的输入，也可以通过MSP430仿真、编程接口JTAG/BSL写入。

5 产品测试结果

本智能铂电阻温度变换器最低、满量程测温范围在软件中可以任意定义。采用中国科学院低温计量测试站编号为16B1322#的铂电阻温度传感器分度表来验证超低温精密智能铂电阻温度变换器的测量精度，采用标准电阻箱替代传感器输出。将超低温精密测量智能铂电阻温度变换器最低量程设置为15K（液氢温区，对应4mA）、满量程设置为370K（对应20mA），测试结果示于表4。

表4 智能温度变换器测试结果

从表4可以看到，智能温度变换器测温精度优于0.2℃。

6 结束语

以16位MSP430 CPU为核心的超低温智能铂电阻温度变换器可以直接与各温度段的铂电阻温度传感器匹配，实现了涵盖超低温在内的全量程温度测量。通过简便的传感器校准特性输入设置，消除了通用传感器特性造成的误差，获得了更高的测试精度。解决了传统模拟变换器无法准确测量液氢、液氧类超低温介质的温度测量问题，克服了模拟变换器品种多、量程固定、调试复杂的缺点，也解决了航天飞行器超低温介质温度测量需要地面解算、效率差的缺点，实现了飞行器超低温度高精度实时测量。

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Design of precision smart platinum resistance transmitter for ultra-low temperature measurement

LIU Hui, ZHANG Yun, DONG Shuai

（Beijing Research Institute of Telemetry, Beijing 100076, China）

With the16-bit MSP430 CPU as the core, full-scale measurements including ultra-low temperature are realized through the application of programmable gain analog-to-digital converter AD7715 connected to platinum resistance sensors. With the self-calibration capability of the AD7715, the drift and error of the device are removed. The problem of temperature accurate calculation is solved by the temperature-resistance function of different temperature segments. The experimental results show that the smart platinum resistance temperature transmitter can be directly matched with the platinum resistance sensors of different temperature segments. With the calibration parameter set of the sensor, the error caused by the universal sensor characteristics is eliminated and higher accuracy is obtained.

Ultra-low temperature measurement; Smart temperature transmitter; Gain and zero self-calibration; Non-linear calibration

TH811

A

CN11-1780(2020)01-0045-07

Email:ycyk704@163.com

TEL:010-68382327 010-68382557

2020-01-18

刘 辉 1973年生，硕士，工程师，主要研究方向为传感器与变换器。

张 恽 1966年生，硕士，高级工程师，主要研究方向为传感器与变换器。

董 帅 1984年生，硕士，高级工程师，主要研究方向为传感器与变换器。