l        薄膜鉑電阻系列

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pt100的應(yīng)用

石油傾點(diǎn)溫度測(cè)試PT100溫度傳感器的標(biāo)定

摘要：作者設(shè)計(jì)了直徑為3mm、長(zhǎng)為27cm 的Pt100型傳感器，根據(jù)0.10℃刻度的溫度測(cè)試儀作為標(biāo)定標(biāo)準(zhǔn)，利用軟件來(lái)矯正其非線形失真，該產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)對(duì)石油傾點(diǎn)溫度信號(hào)的采集和標(biāo)定。
關(guān)鍵詞： Pt100傳感器；電橋測(cè)溫；石油傾點(diǎn)

一、引言

石油傾點(diǎn)溫度是指管道內(nèi)凝固態(tài)的原油開始融解流動(dòng)的*低溫度。國(guó)際上測(cè)試規(guī)程要求每隔2℃就要對(duì)其流動(dòng)情況進(jìn)行判斷并測(cè)溫，但由于石油運(yùn)輸管線很長(zhǎng)，原油每升溫1℃需要大量能源，因此對(duì)傾點(diǎn)溫度測(cè)量的精度對(duì)油田節(jié)能有重大意義。我們選用Pt100溫度傳感器來(lái)完成對(duì)石油傾點(diǎn)溫度的測(cè)量。

二、Pt100工作原理及其主要技術(shù)參數(shù)

Pt100傳感器是利用鉑電阻的阻值隨溫度變化而變化、并呈一定函數(shù)關(guān)系的特性來(lái)進(jìn)行測(cè)溫，其溫度/阻值對(duì)應(yīng)關(guān)系為[1]：
（1）-200℃<t<0℃時(shí)，RPt100=100[1+At+Bt2+Ct3（t-100）] （1）
（2）0℃≤t≤850℃時(shí)，RPt100=100（1+At+Bt2） （2）

式中，A=3.90802×10-3；B=-5.80×10-7；C=4.2735×10-12。

Pt100溫度傳感器的主要技術(shù)參數(shù)如下：測(cè)量范圍：-200℃～+850℃；允許偏差值△℃：A級(jí)±（0.15＋0.002│t│）， B級(jí)±（0.30＋0.005│t│）；熱響應(yīng)時(shí)間<30s；*小置入深度：熱電阻的*小置入深度≥200mm；允通電流≤5mA。另外，Pt100溫度傳感器還具有抗振動(dòng)、穩(wěn)定性好、準(zhǔn)確度高、耐高壓等優(yōu)點(diǎn)。

三、傾點(diǎn)溫度測(cè)量原理：

1、原理方框圖

根據(jù)傾點(diǎn)溫度測(cè)試的國(guó)內(nèi)外要求—溫度每降2℃就要對(duì)油樣的凝結(jié)情況進(jìn)行檢測(cè)，我們?cè)O(shè)計(jì)了測(cè)量過(guò)程（如圖1）。

2、電橋采集數(shù)據(jù)的電路圖及原理

Pt100電橋電路如圖2所示。其中，R1﹑R2﹑R3﹑RPt100組成電橋，R1=R2=R3=R0。為了避免流過(guò)Pt100傳感器的電流過(guò)大使其發(fā)熱進(jìn)而導(dǎo)致非線性失真增大，電橋電壓不宜太高，一般要求Im<5mA，電橋電壓Vbrg=1V。電橋輸出壓差為：

VD= （3）

令RPt100-R0=ΔR，則有：

VD= （4）

由Pt100溫度/阻值對(duì)應(yīng)關(guān)系式可知，當(dāng)溫度較低時(shí)，Pt100的阻值變化量ΔR相對(duì)于R0較小，則電橋輸出壓差為： VD= ，即VD正比于Pt100傳感器的阻值變化量ΔR，也說(shuō)明溫度較低時(shí)，Pt100傳感器的線性度良好；當(dāng)溫度較高時(shí)，ΔR/R0的值較大，Pt100傳感器的線性度變差，此時(shí)要用軟件來(lái)較正。

四、測(cè)量中的定量計(jì)算及誤差分析

1、運(yùn)算放大器放大倍數(shù)的確定

由傳感器的溫度和阻值關(guān)系式可知，當(dāng)溫度變化1℃時(shí)，Pt100的阻值變化約為0.38W，對(duì)應(yīng)的電橋輸出壓差為：VD= =0.001V。

若采用8位A/D轉(zhuǎn)換器，分辨率為0.0196V，則運(yùn)算放大器的*小放大倍數(shù)應(yīng)為20倍。若測(cè)溫的上限定為85℃ （傾點(diǎn)溫度一般小于該溫度）， Pt傳感器在85℃時(shí)的理論阻值為132.8W，電橋電壓為1V，則VD= 0.08296V≈0.083V，即運(yùn)放的*大放大倍數(shù)為60.3。綜合上述，可限定運(yùn)放的放大倍數(shù)應(yīng)在20～60之間。

2、誤差分析

（1）橋電壓Vbrg=1V時(shí)波動(dòng)產(chǎn)生的誤差[2]

從上面的分析可知，在某一溫度時(shí)，Pt﹑R0不變，設(shè)電橋電壓有ΔVbrg（mV）的變化，就會(huì)導(dǎo)致VD有 （mV）的變化。在0℃時(shí)，ΔR=5W，則VD= =0.013ΔV(mV)；若令ΔVD=1mV，則ΔV=76mV，即0℃左右，電橋電壓Vbrg有76mV波動(dòng)，會(huì)引起1℃的溫度誤差；同理在85℃左右，電橋電壓有10mV的波動(dòng)，則會(huì)引起1℃的溫度誤差。可見電橋電壓Vbrg=1V時(shí)的波動(dòng)系數(shù)給對(duì)測(cè)溫帶來(lái)的誤差是很大的，應(yīng)將其電壓波動(dòng)限制在1mV的級(jí)別上。

（2）運(yùn)放非線性產(chǎn)生的誤差

由于運(yùn)放的放大倍數(shù)應(yīng)在20～60之間，可將放大倍數(shù)定為50；若測(cè)溫范圍是0℃～85℃，則在0℃時(shí)，VD=13mV；在85℃時(shí)，VD=99.5mV，說(shuō)明輸入信號(hào)的范圍在13mV～99.5mV之間變化。以平均值50作為放大倍數(shù)，此時(shí)輸入信號(hào)為13mV，換算出來(lái)的輸入電壓信號(hào)值為12.48mV，ΔVD=-0.52mV，將會(huì)引起約1.5℃的誤差。由此可見運(yùn)放的非線性將會(huì)帶來(lái)大約1.5℃的誤差，在實(shí)際測(cè)量中，提高運(yùn)放線性度以及運(yùn)放放大倍數(shù)均可以減少由運(yùn)放帶來(lái)的誤差。

（3）A/D轉(zhuǎn)換器非線性帶來(lái)的誤差

在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)發(fā)現(xiàn)，對(duì)同一模擬輸入信號(hào)Vi，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換得出的數(shù)字量會(huì)有±1位的跳變，這是由A/D轉(zhuǎn)換器的判斷誤差造成的。A/D轉(zhuǎn)換器的一位跳變對(duì)應(yīng)的電壓值，即為該八位A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率，為0.0196V=19.6mV；折算到輸入端對(duì)應(yīng)的電壓值為0.392mV，將會(huì)產(chǎn)生0.392℃的溫度誤差。

（4）A/D轉(zhuǎn)換器參考電壓Vref帶來(lái)的誤差

A/D轉(zhuǎn)換器采用逐次逼近式轉(zhuǎn)換器AD0809，其轉(zhuǎn)換速度較慢，如果輸入信號(hào)在轉(zhuǎn)換過(guò)程中不斷變化，則易發(fā)生錯(cuò)誤，使用時(shí)應(yīng)加采樣保持器，且只對(duì)本次采樣的信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，以確保轉(zhuǎn)換信號(hào)可靠性。另外，在比較轉(zhuǎn)換過(guò)程中，Vref的變化會(huì)對(duì)輸出的二進(jìn)制代碼有影響。在模擬輸入信號(hào)不變的情況下，若Vref變大，會(huì)導(dǎo)致輸出的二進(jìn)制代碼變?。环粗?，則變大，從而導(dǎo)致了溫度誤差。

五、注意事項(xiàng)與結(jié)論

使用中應(yīng)注意，由于熱惰性會(huì)使熱電阻阻值變化滯后，為消除誤差，應(yīng)盡可能地減少熱電阻保護(hù)管外徑，適當(dāng)增加熱電阻的插入深度使熱電阻受熱部位增加。要經(jīng)常檢查保護(hù)狀況，發(fā)現(xiàn)氧化或變形應(yīng)立即采取措施，并定期進(jìn)行校驗(yàn)。熱電阻應(yīng)避免放置在爐旁或距加熱體太近，應(yīng)盡量安裝在震動(dòng)小的地方；同時(shí)為便于施工和維護(hù)。安裝位置應(yīng)盡可能保持垂直，但在有原油流動(dòng)時(shí)則必須傾斜安裝，接線盒出孔應(yīng)向下。

由上面的分析可得，為了提高溫度測(cè)量的準(zhǔn)確性，應(yīng)使用1V電橋電源﹑A/D轉(zhuǎn)換器的5V參考電源要穩(wěn)定在1mV級(jí)；在價(jià)格允許的情況下，Pt100傳感器﹑A/D轉(zhuǎn)換器和運(yùn)放的線性度要高。同時(shí)，利用軟件矯正其誤差，可以使測(cè)得溫度的精度在±0.2℃。

在CPU的應(yīng)用

一般的溫度傳感器(無(wú)論是熱敏電阻或IC溫度傳感器)都需要很長(zhǎng)的時(shí)間才能夠?qū)醾鲗?dǎo)到傳感器的核心部份。根據(jù)National內(nèi)部的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，從CPU把熱傳導(dǎo)到空氣中，再?gòu)目諝庵袀鲗?dǎo)到溫度傳感器中，這個(gè)過(guò)程至少需要20分鐘以上的時(shí)間。如果散熱片(Heat Sink)沒裝好或風(fēng)扇沒轉(zhuǎn)，不到二分鐘的時(shí)間，使用者的CPU可能就會(huì)燒毀。

　　所以，CPU廠商(Intel和AMD)將一顆3904埋入芯片中，我們稱這顆3904為遠(yuǎn)程二極管（Remote Diode），因?yàn)樗x溫度傳感器本身很遠(yuǎn)。于是在短短幾個(gè)毫秒(mini-second)中，溫度傳感器便能**地偵測(cè)到CPU內(nèi)部的溫度了?，F(xiàn)在的技術(shù)要能做到1℃的**度已經(jīng)不是很難的事，而且會(huì)變成PC和筆記本計(jì)算機(jī)的一個(gè)重要的趨勢(shì)。

　　在LM86(圖1)的運(yùn)用實(shí)例中，通常T_CRIT_A的輸出信號(hào)用來(lái)做過(guò)溫度保護(hù)的功能，我們稱之為熱保護(hù)（Thermal Shutdown）。好處是當(dāng)Windows或某一個(gè)應(yīng)用程序造成系統(tǒng)死機(jī)時(shí)，LM86還能保護(hù)整個(gè)系統(tǒng)。而Alert這個(gè)輸出信號(hào)便可以做為軟件中斷，以達(dá)到ACPI規(guī)格的要求。另外，LM86除了能接到CPU的Remote Diode之外，本身內(nèi)部還有一顆傳感器（sensor），可以感測(cè)LM86所在的溫度。所以，前面所提到的PC的系統(tǒng)溫度和筆記本計(jì)算機(jī)的導(dǎo)熱管，便可以使用LM86的本地傳感器來(lái)偵測(cè)，不需要再花額外的成本去買另外一顆溫度傳感器。

　　* 繪圖芯片或3D加速芯片 - LM26, LM88

　　通常繪圖芯片也是不能被降頻來(lái)執(zhí)行的，否則畫面會(huì)變成慢動(dòng)作播放一般。那*好的方法還是加一散熱風(fēng)扇。在這里就有兩個(gè)方式來(lái)激活和關(guān)閉風(fēng)扇了，**個(gè)是便宜的做法，用LM26來(lái)偵測(cè)溫度(如圖2)，等達(dá)到某一個(gè)界限時(shí)便激活風(fēng)扇，若溫度降下來(lái)了，便自動(dòng)關(guān)閉風(fēng)扇。**是采LM88來(lái)設(shè)計(jì)時(shí)髦的4段變速風(fēng)扇控制器(如圖3)，讓不同溫度的狀況能夠有不同的轉(zhuǎn)速。

　　* Power MOSFET - LM26

　　無(wú)論是PC的電源供應(yīng)器或者是筆記本計(jì)算機(jī)中的DC-DC轉(zhuǎn)換模塊，內(nèi)部都會(huì)有一顆很燙的Power MOSFET。雖然電源部份都有一個(gè)風(fēng)扇隨時(shí)在轉(zhuǎn)動(dòng)，但是我們必須設(shè)想一件事：萬(wàn)一風(fēng)扇壞掉了，或者內(nèi)部電路有發(fā)生短路的時(shí)候，怎么辦？利用LM26的過(guò)溫度保護(hù)功能，在極限溫度時(shí)能夠自動(dòng)關(guān)閉電源而達(dá)到關(guān)閉（Shutdown）或甚至恢復(fù)（Recovery）的功能。

　　* PCMCIA - LM88

　　LM88本身并不被設(shè)計(jì)來(lái)做為風(fēng)扇的4段變速控制器，而是能同時(shí)偵測(cè)二個(gè)待測(cè)物。一般筆記本計(jì)算機(jī)的PCMCIA插槽都有兩個(gè)，所以LM88是用來(lái)偵測(cè)PCMCIA的*佳選擇。由于LM88不需要用軟件來(lái)控制，所以我們不用擔(dān)心Windows死機(jī)或藍(lán)屏幕(Blue Screen)的問題。

雖然在過(guò)去的PC和筆記本計(jì)算機(jī)中，溫度傳感器并不起眼，也沒有工程師會(huì)去注意它的重要性，更不用說(shuō)使用者能感覺到它的存在。但是，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)這些重要芯片來(lái)說(shuō)，它是很重要的保護(hù)者，尤其是當(dāng)系統(tǒng)愈來(lái)愈高速且愈來(lái)愈熱之后，它的重要性也會(huì)更加明顯，并且能左右系統(tǒng)的穩(wěn)定性。希望本文能夠帶給讀者一個(gè)清晰的印象，究竟溫度傳感器在PC系統(tǒng)中是扮演哪些角色？也希望工程師在驗(yàn)證系統(tǒng)穩(wěn)定性時(shí)，不妨考慮一下溫度傳感器的一些重要參數(shù)和功用。

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