一種精度高靈活性好熱電阻測(cè)溫模塊

摘要:介紹一種熱電阻測(cè)溫模塊的設(shè)計(jì)方法。該設(shè)計(jì)利用高集成度、精度高ADC芯片ADS1248實(shí)現(xiàn)了一種精度高高靈活性熱電阻溫度采集模塊。該模塊可以接入8路三線制熱電阻也可以接入4路四線制熱電阻采集精度為0.1%。
0引言
       溫度量是工業(yè)場(chǎng)合用到最多的物理量之一。熱電阻是一種常用的溫度傳感器,其特點(diǎn)是:準(zhǔn)確度高、線性度較好、性能穩(wěn)定。按接線方式劃分熱電阻有以下三種:二線制熱電阻、三線制熱電阻、四線制熱電阻。由于二線制熱電阻測(cè)量準(zhǔn)確度受線電阻影響大,因此實(shí)際應(yīng)用中往往采用三線制或四線制熱電阻。三線制熱電阻成本較低接線較方便;而四線制熱電阻可實(shí)現(xiàn)更高的測(cè)量準(zhǔn)確度。
       本文給出了一種熱電阻測(cè)溫模塊的設(shè)計(jì)方法。該熱電阻溫度采集模塊可實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的精度高采集采集精度可達(dá)0.1%。同時(shí)該模塊具有接入熱電阻靈活性高的特點(diǎn)可接入三線制熱電阻也可接入四線制熱電阻為用戶帶來(lái)便利。
文中提到的熱電阻種類(lèi)均指PT100類(lèi)型熱電阻。
1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)及原理
1.1硬件框圖
       系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。圖中MCU為主芯片;ADS1248為采樣芯片系統(tǒng)中共使用2片ADS1248;在MCU與ADS1248之間的通信信號(hào)采用了磁耦芯片ADuM1401進(jìn)行隔離;外接24VDC電源通過(guò)隔離DC-DC模塊轉(zhuǎn)換成5V為采樣電路供電。主芯片與采樣芯片間通過(guò)串口進(jìn)行通信,MCU與ADS1248通過(guò)SPI口進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。
此模塊為可編程控制器的擴(kuò)展模塊,因此具有擴(kuò)展總線。通過(guò)擴(kuò)展總線該模塊與可編程控制器主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。
1.2ADS1248特性及應(yīng)用
       TI公司的ADS1248是高度集成的24位精密ADC芯片它集成了低噪音可編程增益放大器(PGA).單周期設(shè)定數(shù)字濾波器的精密DeltaSigmaADC、振蕩器、多路選擇開(kāi)關(guān)(InputMux),可采樣4組差分或7組單端輸入;該芯片還具有50/60Hz同步抑制模式;傳感器斷線檢測(cè)功能。設(shè)計(jì)中使用該芯片,可簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)提高性能。
1.3三線制熱電阻測(cè)量方法
       文中所設(shè)計(jì)的熱電阻模塊可以接入三線制熱電阻。在采樣三線制熱電阻時(shí)通過(guò)配置ADS1248使得恒流源與熱電阻的連接關(guān)系如圖3所示。圖中R.,Rn2,Rn3為三線制熱電阻三根連接線的線電阻。ADS1248采集芯片內(nèi)部集成以下部件:恒流源(IDAC1,IDAC2)多路選擇開(kāi)關(guān)(MUX),可編程運(yùn)放(PGA)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。Re為參考源取樣電阻，該電阻接于ADS1248外部。

       三線制熱電阻采樣時(shí),首先需要對(duì)多路選擇開(kāi)關(guān)進(jìn)行配置。MCU通過(guò)SPI口向ADS1248寫(xiě)入控制字,達(dá)到對(duì)多路選擇開(kāi)關(guān)MUX的配置目的。通過(guò)配置多路選擇開(kāi)關(guān)使得2個(gè)電流源與三線制熱電阻的連接關(guān)系如圖2所示。連接關(guān)系配置結(jié)束后配置PGA參數(shù)然后配置電流源并啟動(dòng)電流源。當(dāng)電流流過(guò)熱電阻RTD時(shí)會(huì)產(chǎn)生壓降;同樣電流流過(guò)熱電阻的連線電阻時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生壓降。加在PGA.上的差分電壓如式(1)所示。


       式中:u為加在PGA.上的差分電壓;R_RTD為實(shí)際熱電阻值;Rw1為熱電阻a端一-根導(dǎo)線的電阻;Rw.2為熱電阻b端一根導(dǎo)線的電阻;i為恒流源輸出電流值。
       兩路恒流源電流匯聚后,流經(jīng)參考源采樣電阻Ref產(chǎn)生壓降。該電壓作為ADS1248內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換器參考源參考源電壓如式(2)所示。

      式中:Vref為實(shí)際參考電壓;Rref為實(shí)際參考電阻值;i為恒流源輸出電流值。
      通過(guò)公式推導(dǎo)三線制熱電阻采樣值與實(shí)際值的關(guān)系如式(3)所示。

       式中:Rrld為實(shí)測(cè)熱電阻值;R_RTD為實(shí)際熱電阻值;REP.為理論參考電阻值。
       由式(3)可知三線制熱電阻測(cè)量精度與熱電阻線電阻差值(Rw1-Rw2)參考源采樣電阻Rref的精度有關(guān)。
1.4四線制熱電阻測(cè)量方法
       在采樣四線制熱電阻時(shí)通過(guò)配置ADS1248使得恒流源與熱電阻的連接關(guān)系如圖3所示。.

       采樣四線制熱電阻時(shí)，只用到1個(gè)恒流源此時(shí)加在PGA輸入端的差分電壓如式(4)所示。

       可見(jiàn),四線制熱電阻采樣精度只與參考源采樣電阻Rref的精度相關(guān)。
       對(duì)比式(3)和式(6)可充分說(shuō)明三線制熱電阻及四線制熱電阻的精度差異及其原因。
2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
       圖4為系統(tǒng)軟件主流程圖。系統(tǒng)上電后,首先進(jìn)行初始化工作然后根據(jù)外部信號(hào)判斷是否進(jìn)行精度校正操作(精度校正在只在產(chǎn)品出廠時(shí)進(jìn)行一次)然后進(jìn)入主循環(huán)。在主循環(huán)中首先取擴(kuò)展總線上寫(xiě)入的配置信息(通道開(kāi)啟、量程、線制、溫度制式、斷線默認(rèn)值等配置信息)并作設(shè)置,當(dāng)配置信息與前次不相同時(shí)才進(jìn)行配置操作。

       主循環(huán)的第二個(gè)操作是斷線檢測(cè)。通過(guò)斷線檢測(cè)步驟被開(kāi)啟但出現(xiàn)斷線故障的通道號(hào)被標(biāo)記。接下來(lái)是采集熱電阻通道程序只對(duì)開(kāi)啟且沒(méi)有斷線故障的通道進(jìn)行采樣。對(duì)所有正常通道采集完成后便依據(jù)采樣值(電阻值)、斷線狀態(tài)和通道配置計(jì)算出各通道的溫度值沒(méi)有開(kāi)啟的通道溫度值為0。得到所有通道溫度值后便把這些溫度數(shù)據(jù)寫(xiě)到相應(yīng)的內(nèi)存區(qū)域等待可編程控制器主機(jī)讀取。
       在熱電阻阻值到溫度值的轉(zhuǎn)換過(guò)程中采用了查表法和線性插值。主芯片的FLASH中預(yù)先存有PT100分度表(符合JB/T8622-1997標(biāo)準(zhǔn))溫度步長(zhǎng)為1℃。當(dāng)采樣熱電阻得出熱電阻的電阻值后通過(guò)查表和線性插值得出對(duì)應(yīng)溫度值。
3精度提高的措施
3.1參考電阻Re
       由式(3)和式(6)可知無(wú)論三線制或是四線制熱電阻采樣精度都與參考電壓取樣電阻R.相關(guān)。因此,要想實(shí)現(xiàn)精度高測(cè)量必須選擇精度高和高穩(wěn)定性電阻作為Rref。為實(shí)現(xiàn)0.1%的測(cè)量精度實(shí)際應(yīng)用中選取了精度為0.05%的低溫漂電阻作為參考電壓取樣電阻。
3.2PGAoffseterror校正
       式(3)和式(6)推導(dǎo)過(guò)程基于理想情況,即PGA和ADC均不會(huì)引入誤差但實(shí)際情況并非如此。實(shí)際應(yīng)用時(shí)發(fā)現(xiàn)PGA的ofeterror(PGA差分輸入電壓為0時(shí)輸出并非為0)較大使得測(cè)量值難以達(dá)到預(yù)定精度。
為解決該問(wèn)題在模塊生產(chǎn)測(cè)試時(shí)針對(duì)每臺(tái)模塊本文對(duì)PGA的offseterror進(jìn)行預(yù)測(cè)試并將每個(gè)通道預(yù)測(cè)試得出的offseterror值存入FLASH中,用來(lái)對(duì)以后的采樣值進(jìn)行修正。
3.3濾波器設(shè)置
       工頻干擾(50Hz及60Hz電磁波)是工控測(cè)量系統(tǒng)中最常見(jiàn)的一-種干擾噪聲對(duì)測(cè)量精度影響很大熱電阻采樣電路易受工頻干擾和射頻干擾的影響。為實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量模塊中必須加入抗干擾措施。
       本設(shè)計(jì)中利用ADS1248集成的數(shù)字濾波器(Pro-grammableDigitalFilter)對(duì)此類(lèi)干擾進(jìn)行抑制。數(shù)字濾波器放置于模數(shù)轉(zhuǎn)換之后其作用是對(duì)采樣值進(jìn)行數(shù)字濾波處理從而達(dá)到濾除干擾噪聲的目的。
       ADS1248中數(shù)字濾波器的濾波特性與采樣速率有關(guān)。綜合衡量多方面因素后本設(shè)計(jì)選取20S/s(每秒20次)的采樣速率此時(shí)數(shù)字濾波特性如圖5所示。通過(guò)該濾波器50Hz及60Hz工頻干擾噪聲均被衰減70dB以上。

4結(jié)束語(yǔ)
       本文充分利用高集成度、精度高ADC芯片ADS1248設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種精度高高靈活性熱電阻溫度采集模塊。該溫度采集模塊根據(jù)配置不同,既可以接入8路三線制熱電阻，,也可以接入4路四線制熱電阻方便了用戶。同時(shí)該溫度采集模塊可實(shí)現(xiàn)0.1%的采集精度具有很高的工業(yè)應(yīng)用價(jià)值。