以±0.01°C的精度测量温度

测量温度至±0.01°C的最准确方法是什么？我已经研究过使用惠斯通电桥（带有用于小型校准的迷你锅）和RTD的精度和量程。我需要的温度范围是-85°C至55°C。理想情况下，这将是低压操作（6 VDC）。输出必须是数字信号，当前将被发送到Arduino，但是将来我想在连接到Arduino之前在该设备旁边包括一个数据记录系统。电源也来自Arduino，因此稳定性目前取决于Arduino的硬件，但是该单元将插入115 V插座，因此可以使用接地参考。

最终目标是拥有多个温度单位，例如此记录数据并发送至可以绘制数据图表的mC。我发现了各种铂金RTD，它们的测量精度都很高，但我想知道如何布置电路，如何将模拟信号准确地转换为数字信号以及电源所需的任何稳压器。

实际上，要达到该系统的准确性水平非常困难。您显示的特定传感器为DIN A类公差，这意味着仅传感器的最大误差为150mK + 2mK * | T |。（T以摄氏度为单位）。因此，在100摄氏度下，仅传感器的最大误差（不计算自身发热）为350mK，是您想要的误差的35倍。由于薄膜构造，这种类型的相对低成本的传感器还易于产生磁滞误差。如果温度变化很大，这会起作用-但即使到200°C，您也会看到数十mK的误差（数据表上未显示）。

即使在0°C的参考温度下，单独的传感器也会贡献15倍的误差。根据您选择的电流，自发热会产生更多的影响，甚至最佳设计的测量电路也会造成一些误差。如果执行校准，则可以减少一些错误，但这既昂贵又困难，并且您必须拥有能够实现mK精度和稳定性的仪器。在水的三点进行单点校准比较容易，但仍然不容易。

在相对较窄的范围内保持0.01°C的稳定性并非难事，但需要良好的设计技术。如果使用200uA激励，则输入的稳定性要远远好于40uV。您的参考还必须在整个工作温度范围（需要定义）内稳定在20-30ppm之内。如果使用精密的金属箔参考电阻和比率测量，可以最大程度地降低参考电压误差。

0.01°C的分辨率非常容易。只需在传感器信号调理上挂一个24位ADC，但这可能没有多大意义（除了在良性仪器环境中显示短期趋势），除非所有其他事情都做对了。

我将使用TI ADS1248的24位sigma delta ADC，这是RTD传感器（Pt100）的完整模拟前端。不幸的是，带有该芯片的Arduino板很少，我只找到了一个-http://www.protovoltaics.com/arduino-rtd-shield/，我不会购买它，因为它具有许多共同无法实现的功能如果该板具有TI提供的低通滤波器，则存在。
如果印刷电路板做得好，该芯片可以在整个范围内为您提供18位无错误代码。
如果仅需要限制范围，则可以使用3线方法和附加补偿电阻，但是必须精确计算电阻和PGA设置。例如，您需要从-85C到50C，这是135C的测量范围，现在通过将PGA（例如128）设置得更高，可以缩小初始测量范围。通过添加在-17.5C（135 / 2-85）下具有pt100电阻的补偿电阻，可以将测量范围的中心放置。通过参考电阻R_BIAS的其他计算，您可以设置您感兴趣的精确测量范围：http ://www.ti.com/lit/an/sbaa180/sbaa180.pdf

您可能还想看看石英温度传感器。精确地测量频率变化远比微伏测量更容易... IIRC我直接从AoE（第一版）的页面中得知。

有一张或三张纸：

http://www.sensorsportal.com/HTML/DIGEST/august_2014/Vol_176/P_2252.pdf http://maxwellsci.com/print/rjaset/v5-1232-1237.pdf http://micromachine.stanford.edu/ 〜hopcroft /出版物/Hopcroft_QT_ApplPhysLett_91_013505.pdf

有一个数据表（您的较低温度范围低于他们列出的温度范围，除了“特殊订购”之外，但在到那里之前，我倾向于将-55至125C军用级零件之一扔给它。

http://www.statek.com/products/pdf/Temp%20Sensor%2010162%20Rev%20B.pdf

提供温度和压力的漂亮产品：

http://www.quartzdyne.com/quartz.html

维基百科页面似乎在很大程度上是对HP2804A的敬意

https://zh.wikipedia.org/wiki/石英温度计

我在以前的RL工作中不得不做很多事情，所以我将仔细研究我在这里可以看到的问题，并至少概述我们所做的事情，尽管a）大约20年前，所以我内存可能与现实不符，b）在本质安全的系统上，该系统增加了额外的组件以限制故障条件下的可用功率，并且c）我不是原始设计者。

块级电路是一个开关电流源（稳定，相当准确，但没有达到测量所需的精度），为连接开尔文（Kelvin）连接的PRT传感器和一个高精度参考电阻（0.01％）供电，各个点通过保护电阻供电一个多路复用器到一个24位双斜率积分ADC。这样可在范围的中间提供0.01C的精度，但在高端仅提供0.02C（0.013C IIRC）的精度，因为作用在保护电阻上的泄漏电流如下所述可在低端固定。使用基准电阻器并按比例进行测量避免了对准确和稳定电流源的需求，并且放宽了对ADC基准电压源的限制，因此正常的商业组件就足够了。

我假设测量点远离电子设备（传感器位于某些电缆的末端），因为否则，如果电子设备超出其指定的温度范围（正常的工业范围为-55 + 85C）。这相当好地表明使用开尔文连接（4线PRT），以便可以从测量中消除电缆电阻-激励电流从一对导线中传出，而电压在另一对导线上进行测量（其中电缆成本为很高，您可以使用平衡长度的3线，并通过更多的测量和软件来补偿普通线。基本测量是测量传感器两端和参考电阻两端的电压。
切换励磁电流可避免自发热，同时允许足够高的励磁电平以提供合理的信号电平；您可以选择激励电流，以便在考虑传感器的电阻，基准，连接电缆，这些传感器的温度变化以及传感器的温度变化的情况下，使传感器电路的最高电阻产生的电压接近全量程，但仍处于线性区域您可以通过DAC输出（真正的DAC，而不是PWM线）设置激励电流，并使用软件长期调整驱动电平，以使最高ADC读数接近全范围-这样可以避免低温下的分辨率损失（低PRT温度=低电阻= ADC读数低=每度位数更少=精度降低）。

使用单个ADC可以避免ADC的（mis）匹配问题，从而引入无法测量的误差。我的系统将ADC配置为单端，但是您可能会发现差分输入配置可以简化事情，但是请注意泄漏电流以及它们如何随输入共模变化。使用双斜率转换器时，您需要在ADC电路中使用聚丙烯或聚乙烯电容器以最大程度地减少介电吸收，因为它们既大又昂贵（并且还需要在PCB上使用保护环，并最小化某些PCB走线长度，因为FR4中的环氧树脂具有高介电吸收）。Δ-Σ转换器可以避免这种情况，但是会在输入信号变化时引发建立时间问题（丢弃前N个读数），这会延长测量时间，并且可能使自发热开始影响读数或阻止及时读取（这就是为什么）选择了双坡度，并提供了当时可用的组件）。如果ADC的输入上有可用的增益块，则值得使用它来减小激励电流，但不要试图通过改变读数之间的增益来变得可爱，因为增益永远都不是标称值，因此，以不同增益获取的ADC读数与此目的不兼容。

另一个有害的错误源是意外的热电偶结。甚至铜线（或PCB走线）上的锡镀也可以达到这种效果。除了尽量减少信号路径中的异种金属-金属接头的数量外，还要确保您不能避免的任何事物都是成对存在且处于等温状态，以便消除任何影响，并确保信号路径尽可能远离高电流痕迹。注意电路接地；将ADC输入侧接地（可用作激励电流源的参考）仅在一点处连接到模拟地（ADC芯片和输入多路复用器地），而模拟接地仅在一点上连接到系统（微处理器）等）接地，该接地仅在一个点上连接到电源接地输入。另一个误差源可能是输入泄漏电流。如果与ADC输入串联的电阻很大（例如多路复用器的“导通”电阻或低通滤波器），请检查在最大泄漏电流下该电阻两端的压降是否足够小。同样，为了达到这种精度，您还需要确保传感器和系统其他部分（例如参考电阻）之间的泄漏非常低。少于10M的任何东西都会产生明显的影响。例如参考电阻；少于10M的任何东西都会产生明显的影响。例如参考电阻；少于10M的任何东西都会产生明显的影响。

读取读数时，打开激励电流，等待一个毫秒左右使其稳定下来（请记住，传感器电缆具有必须充电至稳定状态的固有电容），并在固定的时序上对所有通道进行ADC转换，然后在同一时间以相反的顺序重新读取除最后一个以外的所有内容；如有必要，再进行两组读数以计算出任何自发热，然后关闭励磁。该组读数的标称时间是奇数单例读数的标称时间（对于双斜率转换器，这是输入采样保持电容与输入断开的瞬间），并且各对读数应为相同，但是如果它们不同（可能由于自热），则可以将它们取平均值以在标称时间给出等效的读数。使用4线制PRT时，您可以获得PRT读数和参考读数，将参考电阻值乘以这两者的比率即可得到PRT电阻。对于3线制PRT，首先要从PRT读数中减去驱动线两端的读数，以补偿公共线。要读取多个PRT，您可以在电流源具有足够的柔度的情况下串联它们，并使输入多路复用器具有足够的通道来选择任何传感器（或参考电阻器），或者多路驱动器-您仍然需要宽输入多路复用器，但放宽了当前的源合规性要求。

为了将PRT电阻转换为温度，您可以尝试生成或查找公式，但是我使用的系统使用了制造商的RT数据表，并对三个最接近的数据点进行了二次插值。这样可以通过更换测量值表来更轻松地更改所使用的传感器（只需放入新表）或进行单独校准。

这对于您的应用程序可能有点过大，但是声学测温非常准确（尽管没有达到您想要的水平）。

寓教于乐（所有应用笔记中都有吉姆·威廉姆斯的名字）。