一種基于熱電阻的線性測量裝置研制

摘要:對于用熱電阻實(shí)現(xiàn)精度高、線性溫度測量問題,給出了一種實(shí)用的測量裝置。該裝置由熱電阻、AD590M、標(biāo)準(zhǔn)電阻、放大器、AD轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)、數(shù)碼顯示和串行輸出端口等組成。裝置采用信號比較的方法求出精度高的熱電阻值,再根據(jù)熱電阻值的大小查熱電阻分度表求取對應(yīng)的溫度值,因此實(shí)現(xiàn)了真正意義上的線性化,大大減小了放大器溫漂和非線性的影響，并且實(shí)現(xiàn)了熱電阻全溫度分度范圍的溫度測量。溫度值由串口榆出和數(shù)碼管顯示，采用B等級熱電阻時在-200~850℃范圍內(nèi)的測量誤差約為±6℃.是一種價廉，實(shí)用的精度高的測溫裝置。
　　目前,在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究的溫度測量中熱電阻是使用最廣泛的測溫儀表之一,測量范圍大、性能穩(wěn)定、安裝使用方便是熱電阻的主要特點(diǎn),但熱電阻輸出與溫度之間的非線性特性也給其應(yīng)用于測量帶來諸多不便,雖然采用了一些線性化方法,如用正反饋法改善非線性等日，但非線性依然比較嚴(yán)重。本文論述了一種基于熱電阻的線性溫度測量裝置,該裝置在單片機(jī)的控制下,先測出熱電阻值R,再由R,的值查熱電阻分度表得出溫度值,因此，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的線性化。另外,實(shí)現(xiàn)了熱電阻全溫度分度范圍的溫度測量，且可獲得較高的測量精度。本裝置采用Pt100熱電阻,其測溫范圍為-200~850℃,當(dāng)采用B等級熱電阻時,在一200~.850C該裝置的測量誤差約為±6℃。
1測量原理
　　電阻測量原理見圖1,U1,U2為多路模擬開關(guān),I,R0,R1,A,AD分別為標(biāo)準(zhǔn)電流、被測電阻、標(biāo)準(zhǔn)電阻、放大器、AD轉(zhuǎn)換器,U01,U02分別為標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)電壓信號和被測電壓信號,設(shè)對應(yīng)的AD采樣值分別為S1,S2,U010和U02由電流源I流過電阻R:和R。獲得,U1用于對放大器和采樣通道校準(zhǔn)。在單片機(jī)控制下,U1和U2的通道IN1導(dǎo)通時,有
U01=IR1
 
　　由式(4)、(5)可見,由于采用了與標(biāo)準(zhǔn)信號采樣值比較的方法,且數(shù)據(jù)采集周期極短,使得被測電阻只與標(biāo)準(zhǔn)電阻R、標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)信號的采樣值S、被測信號的采樣值S;有關(guān)，與電流源無關(guān),大大減小了放大采樣通道的放大倍數(shù)、零點(diǎn)漂移和非線性的影響,因此,提高了測量精度，實(shí)現(xiàn)了電阻值測量,測量精度主要取決于AD轉(zhuǎn)換器的分辨率。
2.整機(jī)結(jié)構(gòu)
　　整機(jī)原理結(jié)構(gòu)，由信號處理單元、放大單元和數(shù)據(jù)采集及處理單元等組成見圖2。使用環(huán)境溫度在0~50℃。
 
2.1信號處理
　　信號處理單元由熱電阻Rt.AD590M、標(biāo)準(zhǔn)電阻R1、多路模擬開關(guān)U1和U2等組成。圖中r是熱電阻引線等效電阻。標(biāo)準(zhǔn)電阻R1用錳銅絲繞制而成,性能穩(wěn)定。AD590M用作標(biāo)準(zhǔn)電流源,其輸出電流I經(jīng)多路模擬開關(guān)U1分別由4個支路輸出,在R:上形成標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)電壓信號Uo1、在熱電阻R..上形成輸人信號U02,在引線電阻2r上形成引線電阻補(bǔ)償信號U03,在接地線上形成零點(diǎn)校正信號U04。為了提高測量精度,電路設(shè)計(jì)時讓4個支路負(fù)載電阻盡量相同,熱電阻采用三線制連接,3條引線敷設(shè)環(huán)境和長度相同,見圖3。
 
2.2AD590的特性
　　AD590是美國模擬器件公司生產(chǎn)的單片集成兩端感溫電流源，測溫范圍為-55~+150℃,其特性為輸出電流I用微安表示時等于器件所處環(huán)境的熱力學(xué)溫度(開爾文)度數(shù),工作電源電壓范圍為4~30V。AD590M精度最高,全測量范圍最大絕對誤差在25℃時校準(zhǔn)后僅為±0.3C2,在0~50C最大誤差為±0.1℃,也即±0.1μA,其特性和誤差曲線見圖4和圖5。
 
　　因?yàn)閿?shù)據(jù)采集周期極短,在-一個數(shù)據(jù)采集周期內(nèi)可以認(rèn)為環(huán)境溫度是恒定的,即電流I是恒定的。實(shí)際測試表明,當(dāng)AD590測試溫度突變10℃時,測溫裝置有不到1℃的短暫波動,常溫下的溫度變化對測溫裝置的溫度測量無影響。因此.本裝置中采用AD590M做標(biāo)準(zhǔn)恒流源。
2.3放大單元
　　放大單元由運(yùn)算放大器ICI-IC3等組成,見圖2,因輸入信號由AD590M輸出電流I轉(zhuǎn)換而成.因此要用高輸入阻抗放大器。為了提高輸入阻抗和減小零點(diǎn)漂移的影響,放大器的第1級是跟隨器,第1級和第2的IC1,IC2選用斬波穩(wěn)零式精度高運(yùn)算放大器CL7650,第3級IC3選用OP07。Pt100熱電阻的最大值為390.482,AD574采用10V輸入方式，當(dāng)環(huán)境溫度為50℃時,AD590M輸出電流為323.2μA,可得到放大器的放大倍數(shù)為K=10V/(390.48ΩX323.2μA)=79.237pμV/μV。實(shí)際測試表明放大倍數(shù)為800時性能仍然穩(wěn)定。
2.4數(shù)據(jù)采集及處理
　　數(shù)據(jù)采集及處理單元由12位A/D轉(zhuǎn)換器、單片計(jì)算機(jī)、數(shù)碼顯示和串口等組成.主要完成邏輯控制、數(shù)據(jù)采集、運(yùn)算處理、分度表查詢、報(bào)警、溫度顯示和溫度數(shù)據(jù)串口輸出等功能，見圖2。邏輯控制和數(shù)據(jù)采集可由表I說明。設(shè)S3,S4分別為U03,U04的采樣值，由式(5)可得熱電阻和引線電限分別為
 
(13)式即是本裝置計(jì)算熱電阻的基本關(guān)系式。數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)在單片機(jī)控制下完成數(shù)據(jù)采集后，即按(13)式計(jì)算熱電阻值，然后查分度表求出溫度值輸出和顯示。式中R1-390.48Ω,溫度值顯示到小數(shù)點(diǎn)后1位.兩溫度點(diǎn)之間按線性內(nèi)插計(jì)算參考溫度。實(shí)際計(jì)算時S1,S2,S3先減去零點(diǎn)校正值S4后,再代入式(13)計(jì)算熱電阻值。
 
3軟件設(shè)計(jì)
　　系統(tǒng)軟件主要完成多路模擬開關(guān)的邏輯控制、信號采集、熱電阻計(jì)算.引線電阻補(bǔ)償、由分度表查詢溫度值、溫度點(diǎn)之間的參考溫度計(jì)算、越限報(bào)警、溫度值申行數(shù)據(jù)輸山和溫度顯示等功能。主程序框圖見圖6。程序采用模塊化結(jié)構(gòu),每一個功能為一個子程序。Pt100熱電限分度表從一200℃到850℃共1051個溫度點(diǎn)，每個溫度點(diǎn)的熱電阻值以10mΩ為單位，用16進(jìn)制數(shù)存于2個字節(jié)中,共占2102個字節(jié),分度表存放于系統(tǒng)程序之后,分度表相對地址除2即為對應(yīng)的溫度值。溫度與熱電阻之間的特性曲線見圖7。
 
　　用最小二乘法求取溫度與熱電阻的線性擬合曲線并對斜率和截距進(jìn)行調(diào)整，當(dāng)斜率為2.823℃/Ω,截距為275.593時,其誤差均勻分布,在±8.26Ω以內(nèi)，見圖8。最大誤差時溫度最大相當(dāng)于±28.5℃.因此,在求得R.后,將R乘以2.823,得到的數(shù)據(jù)乘2作為查表的相對起始地址(即溫度值),在該地址前后±29℃范圍內(nèi)采用比較法最后確定溫度的準(zhǔn)確值。當(dāng)單片機(jī)主頻為6MHz時,數(shù)據(jù)采集、運(yùn)算、查表、輸出、顯示等的工作周期約為70ms.
 
4誤差分析及測試結(jié)果
　　由式(13)可求出Rt的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為回
 
　　S2是U02的采樣值,取最大值為4096,S3是引線壓降的采樣值,其值很小可以忽略,R1=390.48Ω。uc(S1),uc(S2)、uc(S3)是AD574LD的標(biāo)準(zhǔn)不確定度,其值均為1/(2X4096X√3)。uc(R1)是R1的標(biāo)準(zhǔn)不確定度,R1的最大誤差為0.005Ω,按正態(tài)分布,取置信概率為0.997,其值為uc(R1)=0.005/3Ω。將以上數(shù)據(jù)代人式(14),可得R,的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc(Rt)=0.033Ω,按正態(tài)分布,取置信概率為0.997,則R,的擴(kuò)展合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為U=3uc(Rt)=0.10Ω[6,相當(dāng)于0.34℃。由Rt查表求溫度的誤差是計(jì)算R,時的舍人誤差,其值為0.005Ω,相當(dāng)于0.02℃的誤差。因此裝置的總不確定度由以上2項(xiàng)決定,為0.39℃。不計(jì)熱電阻本身誤差時,實(shí)際測量誤差在±1℃以內(nèi)。表2是在給出等百度點(diǎn)上電阻值時的部分測量結(jié)果。
 
5結(jié)論
　　本裝置將AD590M作為恒流源,采用與標(biāo)準(zhǔn)信號采樣值比較的方法對熱電阻的電阻值進(jìn)行測量，大大減小了放大器、AD轉(zhuǎn)換器溫度漂移和非線性的影響,提高了信號測量精度，在得到熱電阻數(shù)值后.采用查分度表的方法求取溫度值,實(shí)現(xiàn)了真正意義上的線性化溫度測最,并且,實(shí)現(xiàn)了全分度范圍的溫度測量。不計(jì)熱電阻本身誤差時,在-200~850℃該裝置的測量誤差為±1℃,采用B等級熱電阻時,在-200~850℃該裝置的測量誤差約為±6℃,是一種價廉、實(shí)用的精度高測溫裝置。