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pt100的應用

石油傾點溫度測試PT100溫度傳感器的標定

摘要：作者設計了直徑為3mm、長為27cm 的Pt100型傳感器，根據0.10℃刻度的溫度測試儀作為標定標準，利用軟件來矯正其非線形失真，該產品實現對石油傾點溫度信號的采集和標定。
關鍵詞： Pt100傳感器；電橋測溫；石油傾點

一、引言

石油傾點溫度是指管道內凝固態的原油開始融解流動的*低溫度。國際上測試規程要求每隔2℃就要對其流動情況進行判斷并測溫，但由于石油運輸管線很長，原油每升溫1℃需要大量能源，因此對傾點溫度測量的精度對油田節能有重大意義。我們選用Pt100溫度傳感器來完成對石油傾點溫度的測量。

二、Pt100工作原理及其主要技術參數

Pt100傳感器是利用鉑電阻的阻值隨溫度變化而變化、并呈一定函數關系的特性來進行測溫，其溫度/阻值對應關系為[1]：
（1）-200℃<t<0℃時，RPt100=100[1+At+Bt2+Ct3（t-100）] （1）
（2）0℃≤t≤850℃時，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參數如下：測量范圍：-200℃～+850℃；允許偏差值△℃：A級±（0.15＋0.002│t│）， B級±（0.30＋0.005│t│）；熱響應時間<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、穩定性好、準確度高、耐高壓等優點。

三、傾點溫度測量原理：

1、原理方框圖

根據傾點溫度測試的國內外要求—溫度每降2℃就要對油樣的凝結情況進行檢測，我們設計了測量過程（如圖1）。

2、電橋采集數據的電路圖及原理

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Pt100傳感器的電流過大使其發熱進而導致非線性失真增大，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/阻值對應關系式可知，當溫度較低時，Pt100的阻值變化量ΔR相對于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，也說明溫度較低時，Pt100傳感器的線性度良好；當溫度較高時，ΔR/R0的值較大，Pt100傳感器的線性度變差，此時要用軟件來較正。

四、測量中的定量計算及誤差分析

1、運算放大器放大倍數的確定

由傳感器的溫度和阻值關系式可知，當溫度變化1℃時，Pt100的阻值變化約為0.38W，對應的電橋輸出壓差為：VD= =0.001V。

若采用8位A/D轉換器，分辨率為0.0196V，則運算放大器的*小放大倍數應為20倍。若測溫的上限定為85℃ （傾點溫度一般小于該溫度）， Pt傳感器在85℃時的理論阻值為132.8W，電橋電壓為1V，則VD= 0.08296V≈0.083V，即運放的*大放大倍數為60.3。綜合上述，可限定運放的放大倍數應在20～60之間。

2、誤差分析

（1）橋電壓Vbrg=1V時波動產生的誤差[2]

從上面的分析可知，在某一溫度時，Pt﹑R0不變，設電橋電壓有ΔVbrg（mV）的變化，就會導致VD有 （mV）的變化。在0℃時，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，會引起1℃的溫度誤差；同理在85℃左右，電橋電壓有10mV的波動，則會引起1℃的溫度誤差?？梢婋姌螂妷篤brg=1V時的波動系數給對測溫帶來的誤差是很大的，應將其電壓波動限制在1mV的級別上。

（2）運放非線性產生的誤差

由于運放的放大倍數應在20～60之間，可將放大倍數定為50；若測溫范圍是0℃～85℃，則在0℃時，VD=13mV；在85℃時，VD=99.5mV，說明輸入信號的范圍在13mV～99.5mV之間變化。以平均值50作為放大倍數，此時輸入信號為13mV，換算出來的輸入電壓信號值為12.48mV，ΔVD=-0.52mV，將會引起約1.5℃的誤差。由此可見運放的非線性將會帶來大約1.5℃的誤差，在實際測量中，提高運放線性度以及運放放大倍數均可以減少由運放帶來的誤差。

（3）A/D轉換器非線性帶來的誤差

在實際應用中會發現，對同一模擬輸入信號Vi，經A/D轉換得出的數字量會有±1位的跳變，這是由A/D轉換器的判斷誤差造成的。A/D轉換器的一位跳變對應的電壓值，即為該八位A/D轉換器的分辨率，為0.0196V=19.6mV；折算到輸入端對應的電壓值為0.392mV，將會產生0.392℃的溫度誤差。

（4）A/D轉換器參考電壓Vref帶來的誤差

A/D轉換器采用逐次逼近式轉換器AD0809，其轉換速度較慢，如果輸入信號在轉換過程中不斷變化，則易發生錯誤，使用時應加采樣保持器，且只對本次采樣的信號進行轉換，以確保轉換信號可靠性。另外，在比較轉換過程中，Vref的變化會對輸出的二進制代碼有影響。在模擬輸入信號不變的情況下，若Vref變大，會導致輸出的二進制代碼變小；反之，則變大，從而導致了溫度誤差。

五、注意事項與結論

使用中應注意，由于熱惰性會使熱電阻阻值變化滯后，為消除誤差，應盡可能地減少熱電阻保護管外徑，適當增加熱電阻的插入深度使熱電阻受熱部位增加。要經常檢查保護狀況，發現氧化或變形應立即采取措施，并定期進行校驗。熱電阻應避免放置在爐旁或距加熱體太近，應盡量安裝在震動小的地方；同時為便于施工和維護。安裝位置應盡可能保持垂直，但在有原油流動時則必須傾斜安裝，接線盒出孔應向下。

由上面的分析可得，為了提高溫度測量的準確性，應使用1V電橋電源﹑A/D轉換器的5V參考電源要穩定在1mV級；在價格允許的情況下，Pt100傳感器﹑A/D轉換器和運放的線性度要高。同時，利用軟件矯正其誤差，可以使測得溫度的精度在±0.2℃。

在CPU的應用

一般的溫度傳感器(無論是熱敏電阻或IC溫度傳感器)都需要很長的時間才能夠將熱傳導到傳感器的核心部份。根據National內部的實驗結果，從CPU把熱傳導到空氣中，再從空氣中傳導到溫度傳感器中，這個過程至少需要20分鐘以上的時間。如果散熱片(Heat Sink)沒裝好或風扇沒轉，不到二分鐘的時間，使用者的CPU可能就會燒毀。

　　所以，CPU廠商(Intel和AMD)將一顆3904埋入芯片中，我們稱這顆3904為遠程二極管（Remote Diode），因為它離溫度傳感器本身很遠。于是在短短幾個毫秒(mini-second)中，溫度傳感器便能**地偵測到CPU內部的溫度了。現在的技術要能做到1℃的**度已經不是很難的事，而且會變成PC和筆記本計算機的一個重要的趨勢。

　　在LM86(圖1)的運用實例中，通常T_CRIT_A的輸出信號用來做過溫度保護的功能，我們稱之為熱保護（Thermal Shutdown）。好處是當Windows或某一個應用程序造成系統死機時，LM86還能保護整個系統。而Alert這個輸出信號便可以做為軟件中斷，以達到ACPI規格的要求。另外，LM86除了能接到CPU的Remote Diode之外，本身內部還有一顆傳感器（sensor），可以感測LM86所在的溫度。所以，前面所提到的PC的系統溫度和筆記本計算機的導熱管，便可以使用LM86的本地傳感器來偵測，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執行的，否則畫面會變成慢動作播放一般。那*好的方法還是加一散熱風扇。在這里就有兩個方式來激活和關閉風扇了，**個是便宜的做法，用LM26來偵測溫度(如圖2)，等達到某一個界限時便激活風扇，若溫度降下來了，便自動關閉風扇。**是采LM88來設計時髦的4段變速風扇控制器(如圖3)，讓不同溫度的狀況能夠有不同的轉速。

　　* Power MOSFET - LM26

　　無論是PC的電源供應器或者是筆記本計算機中的DC-DC轉換模塊，內部都會有一顆很燙的Power MOSFET。雖然電源部份都有一個風扇隨時在轉動，但是我們必須設想一件事：萬一風扇壞掉了，或者內部電路有發生短路的時候，怎么辦？利用LM26的過溫度保護功能，在極限溫度時能夠自動關閉電源而達到關閉（Shutdown）或甚至恢復（Recovery）的功能。

　　* PCMCIA - LM88

　　LM88本身并不被設計來做為風扇的4段變速控制器，而是能同時偵測二個待測物。一般筆記本計算機的PCMCIA插槽都有兩個，所以LM88是用來偵測PCMCIA的*佳選擇。由于LM88不需要用軟件來控制，所以我們不用擔心Windows死機或藍屏幕(Blue Screen)的問題。

雖然在過去的PC和筆記本計算機中，溫度傳感器并不起眼，也沒有工程師會去注意它的重要性，更不用說使用者能感覺到它的存在。但是，對整個系統這些重要芯片來說，它是很重要的保護者，尤其是當系統愈來愈高速且愈來愈熱之后，它的重要性也會更加明顯，并且能左右系統的穩定性。希望本文能夠帶給讀者一個清晰的印象，究竟溫度傳感器在PC系統中是扮演哪些角色？也希望工程師在驗證系統穩定性時，不妨考慮一下溫度傳感器的一些重要參數和功用。

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