關(guān)于提高熱電阻溫度測量精度的設(shè)計(jì)方法

摘要:為了提高熱電阻溫度測量的精度,從溫度傳感器的選型、測量方案的設(shè)計(jì)、實(shí)際測量電路、硬件自校正、微處理器的選擇、模擬信號(hào)預(yù)處理、濾波算法和軟件非線性校正等方面給出了具體的設(shè)計(jì)方案。詳細(xì)分析了自校正補(bǔ)償及微信號(hào)采集轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)方案,設(shè)計(jì)了與DSPF2812的接口電路。實(shí)際應(yīng)用表明,通過上述改進(jìn)方案,熱電阻溫度測量精度可以達(dá)到10ppm的設(shè)計(jì)要求。
在日常工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究中,溫度是非常重要的測量參數(shù)。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步以及生產(chǎn)工藝的提高,對溫度測量的要求越來越高。然而,溫度測量是典型的小信號(hào)測量,影響其測量精度的因素很多,如溫度傳感器、恒流源和標(biāo)準(zhǔn)電阻的特性運(yùn)算放大器的失調(diào)電壓、放大倍數(shù)和零點(diǎn)電壓的漂移、A/D轉(zhuǎn)換器的誤差接點(diǎn)熱電勢以及測量電阻的接線方式等。針對上述影響因素,在實(shí)際測量過程中需采取相應(yīng)的措施提高溫度測量的精度。
　　選用的微處理器是數(shù)字信號(hào)處理能力較強(qiáng)的TMS320F2812,其具有集成度高、電路設(shè)計(jì)簡單、使用靈活、開發(fā)方便的特性。相比普通的微處理器,該DSP內(nèi)部A/D模塊具有高達(dá)16通道的數(shù)據(jù)采集能力,可進(jìn)行精度高的A/D采樣，具有有效減少干擾、增加采樣分辨率、減小量化電平、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)效果佳等優(yōu)點(diǎn)。
　　針對熱電阻溫度計(jì)實(shí)踐中存在的或者可能存在的情況進(jìn)行了分析,從測溫系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)、自校正溫度補(bǔ)償、預(yù)處理模塊設(shè)計(jì)以及軟件修正方面,實(shí)現(xiàn)了精度高溫度補(bǔ)償,提高了溫度測量系統(tǒng)精度。
1測溫系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
　　溫度信號(hào)測量屬于微信號(hào)采集的過程,以下從熱電阻溫度傳感器的選型、四線制接線方法、測溫系統(tǒng)的補(bǔ)償設(shè)計(jì)等方面,對溫度采集系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。尤其是針對電路漂移緩慢的特性,采用自校正設(shè)計(jì)方法:的信號(hào)比較法消除了漂移的影響。
1.1熱電阻溫度傳感器的選型
　　熱電阻是由-一個(gè)或多個(gè)感溫電阻元件組成,帶引線、保護(hù)管和接線端子的測溫儀器。由于鉑在高溫和氧化介質(zhì)中的化學(xué)、物理性能非常穩(wěn)定,而且鉑電阻的輸人-輸出特性接近線性,具有較好的復(fù)現(xiàn)性,用鉑電阻制成的溫度計(jì)精度高,所以選用高純度的A級工業(yè)鉑電阻溫度傳感器或者更高等級的鉑電阻。鉑電阻是基于金屬導(dǎo)體的電阻值隨溫度的增加而增加這一特性來進(jìn)行溫度測量的。即在一定的溫度下,先測量出鉑電阻的電阻值R，然后得出等價(jià)的溫度T,其電阻值與溫度之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系如下1-21。

1.2四線制接法
　　針對精度高測溫系統(tǒng),應(yīng)該考慮從感溫元件接點(diǎn)到熱電阻端子間引線的電阻值,為消除引線電阻帶來的誤差，,應(yīng)采用如圖1所示的四線制接線法。其中I+I-端是為了給熱電阻提供恒定的電流,U+、U-是用來監(jiān)測熱電阻的電壓變化。電流回路和電壓測量回路獨(dú)立分開,電壓測量端測得電壓和電流供給端的引線電阻可以抵消,可見這種引線方式可完全消除引線的電阻影響,提高了溫度檢測的精度。需要注意的是，I+I-電流值不宜選取過大,一般選用1mA測試電流，以減少熱電阻的自熱效應(yīng)。
1.3轉(zhuǎn)換開關(guān)及電流換向
　　任何轉(zhuǎn)換開關(guān)都存在接觸電勢,接觸電勢對測量精度的影響視其性能好壞而定,--般工業(yè)級熱電阻測溫應(yīng)采用不超過1μV接觸電勢的轉(zhuǎn)換開關(guān)。當(dāng)熱電勢值大小為1μV時(shí)，以0℃時(shí)的微分電勢0.39Ω/℃計(jì)算,帶來的影響為2.56mK;若熱電勢較大的轉(zhuǎn)換開關(guān)，則按相應(yīng)的比例得到其影響量。為了減小熱電勢帶來的影響,除選用低熱電勢的轉(zhuǎn)換開關(guān)，還可以考慮采用電流換向的方式供給電源,其測量原理如圖2所示。假設(shè)E1為微小量熱電勢,E2為提供電流的電源，I正為如圖2所示電勢方向。由圖可知

　　從而可以看出，微小電勢E,被電流換向電路補(bǔ)償,消除了熱電勢的影響。
2測溫系統(tǒng)自校正溫度補(bǔ)償設(shè)計(jì)方案
　　由于環(huán)境溫度對電阻和運(yùn)放性能的影響,使得測量系統(tǒng)在環(huán)境溫度變化較大時(shí)產(chǎn)生較大的誤差,這就要求在精度高測量中,需要尋找可靠的溫度補(bǔ)償方法。本文方法是通過硬件電路補(bǔ)償溫漂影響,這種方法在各種傳感器中都有應(yīng)用,主要是在前置放大器電路中加入相關(guān)補(bǔ)償電路,指導(dǎo)思想是通過信號(hào)比較法消除漂移的影響。硬件自校正電路如圖3所示?？偟牧泓c(diǎn)偏置(含漂移)為Dƒ,Ke、Dƒ雖有漂移但短時(shí)間內(nèi)仍可認(rèn)為其不變,則3路電壓信號(hào)經(jīng)放大調(diào)理電路放大后的輸出分別為

　　由此可見，鉑電阻值R。只與A/D轉(zhuǎn)換后的相對值有關(guān),電阻漂移和運(yùn)算放大器漂移對測量的影響被抵消了，此方法對整個(gè)電路的漂移都具有實(shí)時(shí)的自校正功能。由于電路中采用了“四線制”接線法,克服了引線電阻帶來的誤差,由以上兩種方法得到了更加真實(shí)的電阻值。
3預(yù)處理電路模塊的設(shè)計(jì)選擇
3.1TMS320F2812微處理器的ADC模塊
　　本系統(tǒng)微處理器采用TI公司的32位定點(diǎn)芯片TMS320F2812,外部采用低頻時(shí)鐘經(jīng)過鎖相環(huán)倍頻后最高可在150MHz主頻下工作,其ADC模塊采用級聯(lián)成一個(gè)16通道的順序采樣模式對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處.理。轉(zhuǎn)換結(jié)束后采樣的通道值就會(huì)被保存到相應(yīng)的結(jié)果寄存器中。該模塊單通道轉(zhuǎn)換的最小的轉(zhuǎn)換時(shí)間是80ns,因此，TMS320F2812的最大采樣速率可達(dá)到12.5MHz,同時(shí),其內(nèi)部具有電壓比較電平,可以確保電源漂移情況下數(shù)據(jù)采集的可靠性。
3.2預(yù)處理電路模塊
　　熱電阻信號(hào)屬小信號(hào)測量,小信號(hào)測量是智能儀器儀表和測控技術(shù)的核心,直接關(guān)系到溫度測量系統(tǒng)的精度等級。模擬信號(hào)的預(yù)處理模塊將前端采集到的溫度信號(hào)經(jīng)過低電勢多路轉(zhuǎn)換開關(guān)傳送到信號(hào)放大及調(diào)理電路進(jìn)行放大，并將處理的信號(hào)最終送至DSP微處理器A/D轉(zhuǎn)換端口,其電路如圖4所示。

　　信號(hào)調(diào)理電路由兩部分組成,分別有前半端的帶有放大效果的電壓跟隨處理電路和后半端的電壓放大電路。XA1端的電壓增益由R,、R2的阻抗比值來決定,即

　　通過兩級信號(hào)放大電路,根據(jù)測溫范圍和對應(yīng)電壓大小,來選擇合適的放大率,使最終輸出的信號(hào)能夠達(dá)到DSP微處理器的A/D輸人電壓滿量程范圍(0~3V)。同時(shí),為了防止外部串人干擾信號(hào),造成信號(hào)放大電路超出微處理器滿量程范圍,可以在信號(hào)進(jìn)入微處理器模數(shù)轉(zhuǎn)換端口前添加齊納二極管和電容,確保微處理器的安全。在某系統(tǒng)中證實(shí)采用了此電路其抗干擾能力較強(qiáng),可在大溫度變化條件下使用。
4軟件處理
4.1數(shù)字濾波算法
　　精度高測溫系統(tǒng)對性能要求很高，并且系統(tǒng)所處現(xiàn)場干擾源較多,為了減少對采樣數(shù)據(jù)的干擾，提高系統(tǒng)的性能,有必要對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,可使溫度數(shù)據(jù)更接近真實(shí)情況。
通過對采樣信號(hào)進(jìn)行濾波處理可減小由于外界干擾或某些不可預(yù)知的因素帶來的隨機(jī)誤差，模擬量在受到干擾后,經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后的結(jié)果偏離了真實(shí)值,可能會(huì)出現(xiàn)一些隨機(jī)的誤差,如果只采樣--次,在高采樣率情況下無法確定結(jié)果是否可信。必須通過多次采樣得到一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)序列,通過軟件算法處理后才能得到-一個(gè)可信度較高的結(jié)果。這種方法就是數(shù)字濾波。數(shù)字濾波方法有多種,如中值濾波、算數(shù)平均濾波去極值平均濾波、加權(quán)平均濾波、滑動(dòng)平均濾波。本文采用去極值平均濾波法。算法原理如下:對于溫度信號(hào)對應(yīng)的電壓采樣值,連續(xù)采樣n次,將其累加求和,同時(shí)找出其中最大值和最小值,再從累加和中減去最大值和最小值按n-2個(gè)采樣值求平均,即有效采樣值。

4.2軟件實(shí)現(xiàn)非線性校正方法
　　從式(1)和式(2)可以看出,鉑電阻具有非線性特dR性。以0~800℃為例，可見該函數(shù)曲線dt2是一條單調(diào)_上凸曲線,如圖6所示,即電阻溫度存在一定的非線性關(guān)系。其實(shí)每只鉑電阻溫度計(jì)的電阻溫度特性是不相同的，內(nèi)插公式中的系數(shù)A、B、C和R針對每只鉑電阻溫度計(jì)應(yīng)該不同,為了表達(dá)方便,將以上系數(shù)稱為特征系數(shù)。所以對精確測溫的鉑電阻就要單獨(dú)分度,實(shí)際應(yīng)用中常用線性化方法有查表法、數(shù)學(xué)公式法、作圖法,采用校準(zhǔn)的方法對鉑電阻進(jìn)行多點(diǎn)測試,確定其測溫特性,用式(1)和式(2)計(jì)算溫度分度表從而提高鉑電阻的測溫精度(簡稱公式法)。鉑電阻的測溫范圍越小、測試點(diǎn)越多,采用的擬合方法越好,其效果越好。軟件上的改進(jìn),可以在未增加成本下很好地改善測量精度。

5測溫實(shí)例
　　圖7所示為去極值濾波處理前后的效果圖，僅是從去極值濾波角度考慮,可以明顯地看出采集的數(shù)據(jù)經(jīng)處理后明顯消除了脈沖干擾,有效地克服了隨機(jī)噪聲干擾,并且取得了穩(wěn)定的高分辨率效果(圖中因縱坐標(biāo)表示的量值不同而未一致)。其他改進(jìn)效果圖就不在這里一一列出。

6結(jié)束語
　　從工程實(shí)際出發(fā),在熱電阻溫度傳感器的硬件設(shè)計(jì)和軟件優(yōu)化方面進(jìn)行了改進(jìn),用于某精度高測溫系統(tǒng),測量精度可以達(dá)到10ppm,切實(shí)改善并提高了溫;度測量系統(tǒng),可作為溫度計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)使用。