插管式多層地溫測量傳感器設計

陳 濤， 冶林茂， 陳海波， 韓振宇， 李 鵬， 張振強

(1.中國電子科技集團公司 第二十七研究所，河南 鄭州 450047；2.河南省氣象科學研究所，河南 鄭州 450003)

0 引 言

目前，對于地溫的觀測，多采用DS18B20溫度傳感器[1]或者直接地埋多只Pt電阻器[2]，實現不同土層土壤溫度的測量，通過比較，DS18B20測溫精度低于Pt電阻器，而且存在比較大的溫度延時，而直接地埋多只Pt電阻器的方法存在一個缺點，它的直接填埋法，使后期的維護維修極為不便，必須進行開挖才能進行維修。本文介紹一種插管式地溫測量方法，該方法采用四線制Pt電阻器[3]，與目前的測量方法具有相同的精度，但其最大的特點在于維護簡便，便于后期標定。

1 測溫原理和測溫電路

通過研究發現， Pt的阻值隨溫度的變化而變化，并具有很好的重現性和穩定性，利用Pt的此種物理特性可制成Pt熱敏電阻器，通常使用的Pt電阻器零度阻值為100 Ω，電阻變化率為1.3851Ω/ ℃。這種傳感器精度高，穩定性好，應用溫度范圍廣，不僅廣泛應用于工業測溫，而且被制成各種標準溫度計供計量和校準使用[4]。

Pt電阻器測溫，從接線方式上分為二線制、三線制和四線制，二線制和三線制具有引線誤差，且無法消除[2]，從提高精度考慮，本文采用四線制[3]Pt100，利用AD7793內部恒流源結合一個高精度電阻器，實現電壓比值等于電阻比值，從而計算出當前Pt電阻器的阻值，具體電路如圖1。

圖1 溫度測量電路

圖1中，AD7793內部恒流源通過IOUT1引腳輸出210 μA電流，電流流經Pt100和5.9 kΩ精密電阻器，而5.9 kΩ電阻器一端接地，一端接AD的參考端REFIN+，Pt100兩端分別接AD的AIN1+和AIN1-，設5.9 kΩ電阻器兩段電壓VR，電阻值為R，Pt電阻器兩段電壓VP，Pt電阻器當前電阻值為RP，由歐姆定律可推出公式(1)成立

(1)

公式變形，推出公式(2)

(2)

式中VR為AD的參考電壓，VP為AD通道1測量的電壓值，因此,只須通過以上電路測量出AD通道1的電壓值。AD7793為24位AD，根據計算和實驗結果證明:該器件完全滿足測量需要。

2 系統設計和算法

2.1 插管式結構設計

對比之前通用的填埋方式，本文采用插管式結構。該方式采用一個下端密閉管套，緊密地插入在土壤中預先做好的孔洞中。傳感器芯材外徑與管套內徑相同，可以插入管套中。傳感器芯材為2片裝，通過卡槽可以組裝成一根圓柱型芯材。在一片芯材上等間距開孔，放入Pt電阻器，孔的外部包裹導熱金屬片，Pt電阻器與金屬片緊密接觸，Pt電阻器引線通過芯材中心開槽引出至傳感器頂端。另一片芯材通過卡槽與前一片拼接，并壓住引線。至此，組裝成一根圓柱型芯材，引線從頂部取出，測量時插入預置好的管套中，維修時把傳感器拔出，打開拼接的芯材，即可維修相應的Pt電阻器。

2.2 多路切換測量系統設計

圖1中顯示的電路為單個Pt電阻器測量的電路，如果需要測量多只Pt電阻器就需要設計多路切換電路。在這里使用4051單路8選1模擬電子開關和4052雙路4選1模擬電子開關，兩者配合使用，實現多路切換電路。電路圖如圖2。

測量Pt電阻器1時，D2(4051)選中Y0通道，從D2的COM輸出，形成恒流源從AD7793的IOUT1經Pt電阻器1，通過D2的COM口輸出，經精密電阻器后接地，形成回路，而D1(4052)選中1Y0和2Y0經D1的COM1和COM2分別接入AD7793的AIN1+和AIN1-，實現Pt電阻器1兩端電壓的測量。

圖2 多路切換電路

測量Pt電阻器2時，D2(4051)選中Y1通道，從D2的COM輸出，形成恒流源從AD7793的IOUT1經Pt電阻器2，通過D2的COM口輸出，經精密電阻器后接地，形成回路，而D1(4052)選中1Y1和2Y1經D1的COM1和COM2接入AD7793的AIN1+和AIN1-，實現Pt電阻器2兩端電壓的測量。

根據需要，可以增加4051和4052的個數來實現更多Pt電阻器的測量，在這里就不再詳細描述。

2.3 牛頓迭代法計算溫度值

利用Pt電阻器的阻值隨溫度變化而變化的特性，通過Pt電阻器阻值計算當前溫度，按照IEC 751國際標準，Pt100(R0=100Ω)的電阻溫度系數(TCR)為0.003 851/℃。Pt電阻器的溫度—電阻曲線如圖3。

圖3 Pt電阻器溫度—電阻曲線

溫度—電阻特性對應的計算方法如下[5]

-200

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

(3)

0

Rt=R0(1+At+Bt2).

(4)

其中,Rt表示Pt電阻器在t℃時的電阻值；R0表示Pt電阻器在0 ℃時的電阻值，采用Pt100，所以，R0=100 Ω，當TCR=0.003 851/℃時，公式中A=3.908 3×10-3，B=-5.775×10-7，C=-4.183×10-12。

通過測量原理可以計算出Pt電阻器的當前電阻值Rt，通過上面的公式要得出當前溫度t，則需要分別求出公式(3)一元四次方程的解和公式(4)一元二次方程的解，在這里采用牛頓迭代法[6]求解這2個方程的解，就可以得到當前的溫度值。具體求解過程轉化為程序語言如下：

float RTOW(floatRt)

{

doubleA=3.908 3×10-3，B=-5.775×10-7，

C=-4.183×10-12，T，T0；

u8i;

T0=(Rt/ 100-1) /A;

if(Rt>=18.52 &&Rt< 100) ∥-200 ℃～0 ℃

{

for(i=0 ;i< 50 ;i++)

{

if(fabs(T-T0) < 0.001)

{break ;}

else

{T0=T;}

}

}

else if(Rt>=100 &&Rt<=175.86) ∥0～200 ℃

{

for(i=0 ;i<50 ;i++)

{

(100(A+2BT0)) ;

if(fabs(T-T0) < 0.001)

{break ;}

else

{T0=T;}

}

}

else

{T=-1 000;}

returnT;

}

采用該程序通過電阻值計算溫度值與查表法對比，如表1。

通過對比表明:程序計算的溫度值與查表法得到的溫度值最大誤差在0.015 ℃以內，完全滿足實際需要。

3 測試結果與分析

使用本文中的設計方案，研制出來的傳感器，其Pt電阻器測溫結果與實驗室對比結果見表2，通過對比表明，設備測量的溫度值和標準值之間最大誤差在0.2 ℃以內，完全滿足目前氣象部門對地溫測量的實際需要。

表1 程序計算溫度與查表法溫度對比

表2 測量值與標準值對比

4 結 論

通過測試表明:采用四線制Pt電阻器、多路切換測量電路及牛頓迭代法計算溫度值的插管式多層地溫測量傳感器，其實際測量溫度值與實驗室標準值誤差在0.2 ℃以內，能夠完全滿足當前對地溫測量的業務要求(誤差在0.4 ℃以內)。本文中采用插管式結構設計的多層地溫測量傳感器，測量精度高、安裝使用方便、便于傳感器后期維護和檢定，需要注意的是該方式對結構加工工藝要求較高，一旦得到合適尺寸，可以制作模具批量生產。綜上，基于四線制Pt電阻器的插管式多層地溫測量傳感器，設計合理、易于實現、便于維護。

參考文獻:

[1]周 超,許東來,李海龍,等.基于DS18B20的地溫測量系統[J].微計算機信息，2010,26(4-5):118-119.

[2]馬 毅,張宏宇.多路鉑電阻測溫系統設計[J].電子測量技術，2012,35(5):87-89.

[3]吳奇生,華連生,陳 斌.四線制測溫原理在氣象地溫數據觀測中的應用[J].電子測量技術,2010,33(8):86-88.

[4]北京賽億凌科技有限公司.Pt 100溫度傳感器[Z].北京：北京賽億凌科技有限公司，2010.

[5]朱育紅.工業鉑電阻精確測溫的方法[J].中國測試技術，2007,33(4):50-52.

[6]楊永竹.牛頓迭代法在智能儀表線性化中的應用[J].自動化儀表,1997,18(5):14-17.