常用测温方法

Pt100 高精度测温方法：

1.在工业生产过程中，温度一直是一个非常重要的物理参数，温度检测和控制直接和安全

全生产、产品质量、生产效率、节能等重大技术经济指标相关，因此在国民经济中

人们普遍关注各个领域。作为温度测量工具，温度检测仪器得到了广泛的应用

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，无法适应高速发展

现代工业展览。随着传感器技术和电子测量技术的快速发展，嵌入式系统主要是单片机

新型电子测温仪器已广泛应用于工业现场，不仅操作简单，而且比传统仪器具有更大的精度

高。目前，热电偶和热电阻主要用于工业生产现场，如铂热电阻

Pt100它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)云母支架是国际公认的高精度温度测量标准传感器。由于铂电阻在氧化介质甚至高温下的物理化学性质非常稳定，具有精度高、稳定性好、性能可靠的特点。因此，铂电阻在中温下(-200～650℃)广泛应用于范围内。目前，市场上已经用金属铂制成的标准温度测量电阻，如Pt100、Pt500、Pt1000等等。其电阻-温度关系的线性度很好，如图所示1所示是其电阻—温度关系曲线，在-200～650℃温度范围内的线性度非常接近直线。铂电阻值与温度之间的关系可以用以下方式表示：

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] ，然后进行线性插值算法求得温度值Tx：

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ΔU_BE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U_BE3和U_BE4经反极性串联后加在电阻R上，所以R上端电压为ΔU_BE。因此，电流I1为：
    I₁＝ΔU_BE／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R_L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：
    ΔU_BE＝（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ΔU_BE，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ΔU_BE减小，不过，改变R5对ΔU_BE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： 

 元器件数据手册、IC替代型号，打造电子元器件IC百科大全！