Pt100 的高精度测温方法

测温方法电子电路设计 2009-07-17 16:26:38 阅读52 评论0 字号：大中小
Pt100 的高精度测温方法：

1.在工业生产过程中，温度一直都是一个很重要的物理参数，温度的检测和控制直接和安

全生产、产品质量、生产效率、节约能源等重大技术经济指标相联系，因此在国民经济的各

个领域中都受到了人们的普遍重视。温度检测类仪表作为温度测量工具，也因此得到广泛应

用。

由于传统的温度测量仪器响应慢、精度低、可靠性差、效率低下，已经不能适应高速发

展的现代化工业。随着传感器技术和电子测量技术的迅猛发展，以单片机为主的嵌入式系统

已广泛应用于工业现场，新型的电子测温仪器不仅操作简单，而且精度比传统仪器有很大提

高。目前在工业生产现场使用最广泛的温度传感器主要有热电偶和热电阻，例如铂热电阻

Pt100就是使用最广泛的传感器之一。

2. Pt100 的特性

铂电阻是用很细的铂丝(Ф0.03～0.07mm)绕在云母支架上制成，是国际公认的高精度测

温标准传感器。因为铂电阻在氧化性介质中，甚至高温下其物理、化学性质都非常稳定，因

此它具有精度高、稳定性好、性能可靠的特点。因此铂电阻在中温(-200～650℃)范围内得到

广泛应用。目前市场上已有用金属铂制作成的标准测温热电阻，如Pt100、Pt500、Pt1000等。

它的电阻—温度关系的线性度非常好，如图1所示是其电阻—温度关系曲线，在-200～650℃

温度范围内线性度已经非常接近直线。

铂电阻阻值与温度的关系可以近似用下式表示：

在0～650℃范围内：

Rt =R0 (1+At+Bt2)

在-190～0℃范围内：

Rt =R0 (1+At+Bt2+C(t-100)t3)

式中A、B、C 为常数，

A=3.96847×10-3；

B=-5.847×10-7；

C=-4.22×10-12；

图1 Pt100 的电阻—温度关系曲线

Rt 为温度为t 时的电阻值；R0 为温度为0℃时的电阻值，以Pt100 为例，这种型号的铂

热电阻，R0 就等于100Ω，即环境温度等于0 度的时候，Pt100 的阻值就是100Ω。当温度变化的时候，Pt100 的电阻也随之变化，通过以上电阻-温度表达式便可以计算出相对应的温度。

在实际应用中，一般使用单片机来进行温度的计算，由于该表达式比较复杂，用单片机处理

这样的计算过程，将会占用大量的资源，程序的编写上也相当复杂，所以一般采用先查表，

再插值的方法换算出温度。

3. Pt100 测温原理

Pt100 是电阻式温度传感器，测温的本质其实是测量传感器的电阻，通常是将电阻的变

化转换成电压或电流等模拟信号，再将模拟信号转换成数字信号，再由处理器换算出相应温

度。采用Pt100 测量温度一般有两种方案：

1.设计

一个恒流源通过Pt100 热电阻，通过检测Pt100 上电压的变化来换算出温度；

2.采用惠斯顿电桥，电桥的四个电阻中三个是恒定的，另一个用Pt100 热电阻，当Pt100

电阻值变化时，测试端产生一个电势差，由此电势差换算出温度。

两种方案的区别只在于信号获取电路的不同，其原理上基本一致，如图2 所示。

图2 Pt100 测温原理

如图3 所示，是以华邦的78E51 单片机为处理器，采用恒流源为信号获取电路的测温

方案，恒流源通过Pt100 热电阻，温度变化引起Pt100 电阻值的变化，从引起电压的变化，

放大后经AD 采用后，送由单片机处理，换算出相应温度。为了达到高精度、宽量程的测温

要求，选用的是AD 转换芯片是12 位串行AD 芯片MAX1270。

图3 采用恒流源的Pt100 测温方案

4. 提高Pt100 测温精度的方案

4.1 通过改善Pt100 接线方式对误差进行补偿

铂热电阻的使用，一般有三种接法，分别是二线制接法、三线制接法和四线制接法,如图4

所示，不同的接法适应于不同的精度要不求。



1.二线制接法：如图4(a)所示，这种接法不考虑Pt100 电缆的导线电阻，将A/D 采样端

与电流源的正极输出端接在一起，这种接法由于没有考虑测温电缆的电阻，因此只能适用于

测温距离较近的场合。

2.三线制接法：如图4(b)所示,这种接法增加了用于A/D 采样的补偿线，三线制接法消

除了连接导线电阻引起的测量误差，这种接法适用于中等测温距离的场合。

3.四线制接法：如图4(c)所示，这种接法不仅增加了A/D 采样补偿线，还加了一条A/D

对地的补偿线，这样可以近一步的减小测量误差，可以用于测温距离较远的场合。

如果只从精度上考虑，采用四线制接法效果最好。

4.2 通过对采样信号进行滤波减小随机误差

由于外界干扰或某些不可预知的因素，模拟量在受到干扰后，经A/D 转换后的结果偏

离了真实值，可能会出现一些随机的误差，如果只采样一次，无法确定结果是否可信。必须

通过多次采样得到一个A/D 转换的数据序列，通过软件算法处理后才能得到一个可信度较

高的结果。这种方法就是数字滤波。

图5 去极值平均滤波程序流程图

滤波器是一种能使有用频率信号通过而同时抑制（或大为衰减）无用频率信号的电子装

置，可分为模拟滤波器和数字滤波器。模拟滤波器是主要采用R、L、C 等无源器件组成的

滤波电路或由运放和R、C 组成的有源滤波器。而数字滤波则是采用软件算法实现滤波的。

数字滤波的前提是对同一数据进行多次采样，在单片机系统中一般有以下几种方法：

1.中值滤波：一般采样5、7 次，排

序后取中间值。

2.算术平均滤波：一般采样8 次，求平均值。

3.去极值平均滤波：去掉最大最小值后求平均值一般采样10、12 次。

4.加权平均滤波：各加权系数之和为1。

5.滑动平均滤波：本次采样值和前n 次采样值求平均。

数据滤波方法选用要视现场环境和被测对象而定，在本系统中采用的是去极值均值滤

波，算术平均滤波不能将明显的脉冲干扰或粗大误差消除，只能将其影响削弱。因明显干扰

或粗大误差使采样值远离其实际值，可以比较容易地将其剔除，不参与平均值计算，从而使

平均滤波的输出值更接近真实值。

以去极值平均滤波为例，程序流程图如图5 所示。算法原理如下：对于温度信号对应的

电压采样值，连续采样n 次，将其累加求和，同时找出其中最大值和最小值，再从累加和中

减去最大值和最小值，按n-2 个采样值求平均，即有效采样值。

4.3 通过插值算法校正Pt100 的非线性度

由Pt100 的特性可知，虽然Pt100 的线性度比较好，但是由于其温度—电阻函数关系并

非线性，用单片机运算则占用资源和时间都比较多。通常采用查表和线性插值算法进行标

度变换的方法计算出温度，不仅运算快、占用单片机内部资源少，而且可以一定程度上对

Pt100 进行线性化校正，从而达到非常精确的测温效果。

要查表首先要在单片机的ROM 区建立一个电阻—温度分度表，在检测值的范围内均匀选择若干个标定点，标定的点数越多则表格越大，对系统的描述也越精确。Pt100 的铂电阻

温度分度表，可以向Pt100 的厂商索要，考虑到单片机的程序存储空间资源和实际的测量精

度要求，并不需要每隔一摄氏度就取一个标定点，根据精度要求选择适当的温度间隔。例如

[5]在-200～650℃范围内每隔5℃标定一个Pt100 的电阻值，即共171 个标定点，分别记作

R[i]，对应的温度记作T[i]，i 取0～170。

图5 插值算法示意图

如图5 所示，采用线性插值算法进行标度变换时，将检测值Rx 通过顺序查表，与标定

点R[i]比较，确定区间R[i]
Tx=T[i]+ ((Rx-R[i])/( R[i+1]-R[i]))* (T[i+1]-T[i])

因为是每隔5℃标定一个电阻值，所以T[i+1]- T[i]=5，即：

Tx=T[i]+5*(Rx-R[i]/R[i+1]-R[i])

［举例］：现经A/D 采样和滤波得Pt100 的电阻值为Rx=112.68Ω，求此时实测对象的温

度Tx。

解：已知查Rx=112.68Ω，

表得 R[46]
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：此时实测对象的温度Tx 为32.60℃。



ad590测温方法及其

电路：

ad590测温电路,AD590 是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源。它的主要特性如下：
1、流过器件的电流（ mA）等于器件所处环境的热力学温度（开
尔文）度数，即：
=1
T
IT mA/K
式中： T I —流过器件（AD590）的电流，单位为mA；
T—热力学温度，单位为K。
2、AD590 的测温范围为-55℃～+150℃。
3、AD590 的电源电压范围为4V～30V。电源电压可在4V~6V
范围变化，电流T I 变化1mA，相当于温度变化1K。AD590 可以承
受44V 正向电压和20V 反向电压，因而器件反接也不会被损坏。
4、输出电阻为710MW。1 AD590的功能及特性
AD590是电流型温度传感器，通过对电流的测量可得到所需要的温度值。根据特性分挡，AD590的后缀以I，J，K，L，M表示。AD590L，AD590M一般用于精密温度测量电路，其电路外形如图1所示，它采用金属壳3脚封装，其中1脚为电源正端V＋；2脚为电流输出端I0；3脚为管壳，一般不用。集成温度传感器的电路符号如图2所示。


AD590的主特性参数如下：
工作电压：4～30V；
工作温度：－55～＋150℃；
保存温度：－65～＋175℃；
正向电压：＋44V；
反向电压：－20V；
焊接温度（10秒）：300℃；
灵敏度：1μA／K。
2 AD590的工作原理
在被测温度一定时，AD590相当于一个恒流源，把它和5～30V的直流电源相连，并在输出端串接一个1kΩ的恒值电阻，那么，此电阻上流过的电流将和被测温度成正比，此时电阻两端将会有1mV／K的电压信号。其基本电路如图3所示。


图3是利用ΔUBE特性的集成PN结传感器的感温部分核心电路。其中T1、T2起恒流作用，可用于使左右两支路的集电极电流I1和I2相等；T3、T4是感温用的晶体管，两个管的材质和工艺完全相同，但T3实质上是由n个晶体管并联而成，因而其结面积是T4的n倍。T3和T4的发射结电压UBE3和UBE4经反极性串联后加在电阻R上，所以R上端电压为ΔUBE。因此，电流I1为：
I1＝ΔUBE／R＝（KT／q）（lnn）／R
对于AD590，n＝8，这样，电路的总电流将与热力学温度T成正比，将此电流引至负载电阻RL上便可得到与T成正比的输出电压。由于利用了恒流特性，所以输出信号不受电源电压和导线电阻的影响。图3中的电阻R是在硅板上形成的薄膜电阻，该电阻已用激光修正了其电阻值，因而在基准温度下可得到1μA／K的I值。


AD590内部的电路

图4所示是AD590的内部电路，图中的T1～T4相当于图3中的T1、T2，而T9，T11相当于图3中的T3、T4。R5、R6是薄膜工艺制成的低温度系数电阻，供出厂前调整之用。T7、T8，T10为对称的Wilson电路，用来提高阻抗。T5、T12和T10为启动电路

，其中T5为恒定偏置二极管。
T6可用来防止电源反接时损坏电路，同时也可使左右两支路对称。R1，R2为发射极反馈电阻，可用于进一步提高阻抗。T1～T4是为热效应而设计的连接方式。而C1和R4则可用来防止寄生振荡。该电路的设计使得T9，T10，T11三者的发射极电流相等，并同为整个电路总电流I的1／3。T9和T11的发射结面积比为8：1，T10和T11的发射结面积相等。
T9和T11的发射结电压互相反极性串联后加在电阻R5和R6上，因此可以写出：
ΔUBE＝（R6－2 R5）I／3
R6上只有T9的发射极电流，而R5上除了来自T10的发射极电流外，还有来自T11的发射极电流，所以R5上的压降是R5的2／3。
根据上式不难看出，要想改变ΔUBE，可以在调整R5后再调整R6，而增大R5的效果和减小R6是一样的，其结果都会使ΔUBE减小，不过，改变R5对ΔUBE的影响更为显著，因为它前面的系数较大。实际上就是利用激光修正R5以进行粗调，修正R6以实现细调，最终使其在250℃之下使总电流I达到1μA／K。
3 数字显示温度计的设计
AD590具有线性优良、性能稳定、灵敏度高、无需补偿、热容量小、抗干扰能力强、可远距离测温且使用方便等优点。可广泛应用于各种冰箱、空调器、粮仓、冰库、工业仪器配套和各种温度的测量和控制等领域。
下面给出用AD590构成数字显示温度计的设计过程。
3．1 测温电路的设计
在设计测温电路时，首先应将电流转换成电压。由于AD590为电流输出元件，它的温度每升高1K，电流就增加1μA。当AD590的电流通过一个10kΩ的电阻时，这个电阻上的压降为10mV，即转换成10mV／K，为了使此电阻精确（0．1％），可用一个9．6kΩ的电阻与一个1kΩ电位器串联，然后通过调节电位器来获得精确的10kΩ。图5所示是一个电流／电压和绝对／摄氏温标的转换电路，其中运算放大器A1被接成电压跟随器形式，以增加信号的输入阻抗。而运放A2的作用是把绝对温标转换成摄氏温标，给A2的同相输入端输入一个恒定的电压（如1．235V），然后将此电压放大到2．73V。这样，A1与A2输出端之间的电压即为转换成的摄氏温标。


将AD590放入0℃的冰水混合溶液中，A1同相输入端的电压应为2．73V，同样使A2的输出电压也为2．73V，因此A1与A2两输出端之间的电压：
2．73－2．73＝0V即对应于0℃。
3．2 A／D转换和显示电路的设计
设计A／D转换和显示电路具有两种方案。分述如下：
（1）用A／D转换器MC14433实现
首先将AD590的输出电流转换成电压，由于此信号为模拟信号，因此，要进行数码显示，还需将此信号转换成数字信号。采用MC14433的转换电路如图6所

示。此电路的作用是通过A／D转换器MC14433将模拟信号转换成数字信号，以控制显示电路。其中MC14511为译码／锁存／驱动电路，它的输入为BCD码，输出为七段译码。LED数码显示由MC14433的位选信号DS1～DS4通过达林顿阵列MC1413来驱动，并由MC14433的DS1、Q2端来控制“＋”、“－”温度的显示。当DS1＝1，Q2＝1时，显示为正；Q2＝0时，显示为负。


图6 A/D转换和数码显示电路框图

（2）用ICL7106来实现
采用ICL7106的A／D转换及LCD显示电路框图如图7所示。其中，ICL7106是3位半显示的A／D转换电路，它内含液晶显示驱动电路，可用来进行A／D转换和LCD显示驱动。


4 结束语
温度传感器的应用范围很广，它不仅广泛应用于日常生活中，而且也大量应用于自动化和过程检测控制系统。
温度传感器的种类很多，根据现场使用条件，选择恰当的传感器类型才能保证测量的准确可靠，并同时达到增加使用寿命和降低本钱的作用



DS18B20测温法：

DALLAS最新单线数字温度传感器DS18B20简介新的“一线器件”体积更小、适用电压更宽、更经济 Dallas 半导体公司的数字化温度传感器DS1820是世界上第一片支持 “一线总线”接口的温度传感器。一线总线独特而且经济的特点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。DS18B20、 DS1822 “一线总线”数字化温度传感器 同DS1820一样，DS18B20也 支持“一线总线”接口，测量温度范围为 -55°C~+125°C，在-10~+85°C范围内,精度为±0.5°C。DS1822的精度较差为± 2°C 。现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。适合于恶劣环境的现场温度测量，如：环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。与前一代产品不同，新的产品支持3V~5.5V的电压范围，使系统设计更灵活、方便。而且新一代产品更便宜，体积更小。 DS18B20、 DS1822 的特性 DS18B20可以程序设定9~12位的分辨率，精度为±0.5°C。可选更小的封装方式，更宽的电压适用范围。分辨率设定，及用户设定的报警温度存储在EEPROM中，掉电后依然保存。DS18B20的性能是新一代产品中最好的！性能价格比也非常出色！ DS1822与 DS18B20软件兼容，是DS18B20的简化版本。省略了存储用户定义报警温度、分辨率参数的EEPROM，精度降低为±2°C，适用于对性能要求不高，成本控制严格的应用，是经济型产品。 继“一线总线”的早期产品后，DS1820开辟了温度传感器技术的新概念。DS18B20和DS1822使电压、特性及封装有更多的选择，让我们可以构建适合自己的经济的测温系统。

DS18B20的内部结构

DS18B20内部结构主要由四部分组成

：64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。DS18B20的管脚排列如下:



DQ为数字信号输入/输出端；GND为电源地；VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。

光刻ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS18B20的地址序列码。64位光刻ROM的排列是：开始8位（28H）是产品类型标号，接着的48位是该DS18B20自身的序列号，最后8位是前面56位的循环冗余校验码（CRC=X8+X5+X4+1）。光刻ROM的作用是使每一个DS18B20都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。

DS18B20中的温度传感器可完成对温度的测量，以12位转化为例:用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供，以0.0625℃/LSB形式表达，其中S为符号位。


这是12位转化后得到的12位数据，存储在18B20的两个8比特的RAM中，二进制中的前面5位是符号位，如果测得的温度大于0，这5位为0，只要将测到的数值乘于0.0625即可得到实际温度；如果温度小于0，这5位为1，测到的数值需要取反加1再乘于0.0625即可得到实际温度。

例如+125℃的数字输出为07D0H，+25.0625℃的数字输出为0191H，-25.0625℃的数字输出为FF6FH，-55℃的数字输出为FC90H。


DS18B20温度传感器的存储器

DS18B20温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的E2RAM,后者存放高温度和低温度触发器TH、TL和结构寄存器。

暂存存储器包含了8个连续字节，前两个字节是测得的温度信息，第一个字节的内容是温度的低八位，第二个字节是温度的高八位。第三个和第四个字节是TH、TL的易失性拷贝，第五个字节是结构寄存器的易失性拷贝，这三个字节的内容在每一次上电复位时被刷新。第六、七、八个字节用于内部计算。第九个字节是冗余检验字节。


该字节各位的意义如下：

TM R1 R0 1 1 1 1 1

低五位一直都是1 ，TM是测试模式位，用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式。在DS18B20出厂时该位被设置为0，用户不要去改动。R1和R0用来设置分辨率，如下表所示：（DS18B20出厂时被设置为12位）

分辨率设置表:

R1
R0
分辨率
温度最大转换时间

0
0
9位
93.75ms

0
1
10位
187.5ms

1
0
11位
375ms

1
1
12位
750ms



根据DS18B20的通讯协议，主机控制DS18B20完成温度转换必须经过三个步骤：每一次读写之前都要对DS18B20进行复位，复位成功后发送一条ROM指令，最后发送RAM指令，这样才能对DS18B20进行预定的操作。复位要求主CPU将数据线下拉500微秒，然后释放，DS18B20收到信号后等待16～60微秒左右，后发出60～240微

秒的存在低脉冲，主CPU收到此信号表示复位成功。


DS1820使用中注意事项

DS1820虽然具有测温系统简单、测温精度高、连接方便、占用口线少等优点，但在实际应用中也应注意以下几方面的问题：

(1)较小的硬件开销需要相对复杂的软件进行补偿，由于DS1820与微处理器间采用串行数据传送，因此，在对DS1820进行读写编程时，必须严格的保证读写时序，否则将无法读取测温结果。在使用PL/M、C等高级语言进行系统程序设计时，对DS1820操作部分最好采用汇编语言实现。

(2)在DS1820的有关资料中均未提及单总线上所挂DS1820数量问题，容易使人误认为可以挂任意多个DS1820，在实际应用中并非如此。当单总线上所挂DS1820超过8个时，就需要解决微处理器的总线驱动问题，这一点在进行多点测温系统设计时要加以注意。

(3)连接DS1820的总线电缆是有长度限制的。试验中，当采用普通信号电缆传输长度超过50m时，读取的测温数据将发生错误。当将总线电缆改为双绞线带屏蔽电缆时，正常通讯距离可达150m，当采用每米绞合次数更多的双绞线带屏蔽电缆时，正常通讯距离进一步加长。这种情况主要是由总线分布电容使信号波形产生畸变造成的。因此，在用DS1820进行长距离测温系统设计时要充分考虑总线分布电容和阻抗匹配问题。

(4)在DS1820测温程序设计中，向DS1820发出温度转换命令后，程序总要等待DS1820的返回信号，一旦某个DS1820接触不好或断线，当程序读该DS1820时，将没有返回信号，程序进入死循环。这一点在进行DS1820硬件连接和软件设计时也要给予一定的重视。

测温电缆线建议采用屏蔽4芯双绞线，其中一对线接地线与信号线，另一组接VCC和地线，屏蔽层在源端单点接地。