一種基于熱電阻的線性測量裝置研制

摘要:對于用熱電阻實現精度高、線性溫度測量問題,給出了一種實用的測量裝置。該裝置由熱電阻、AD590M、標準電阻、放大器、AD轉換器、數據采集與處理系統、數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,再根據熱電阻值的大小查熱電阻分度表求取對應的溫度值,因此實現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，并且實現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碼管顯示，采用B等級熱電阻時在-200~850℃范圍內的測量誤差約為±6℃.是一種價廉，實用的精度高的測溫裝置。
　　目前,在工業生產和科學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、性能穩定、安裝使用方便是熱電阻的主要特點,但熱電阻輸出與溫度之間的非線性特性也給其應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，實現了真正意義上的線性化。另外,實現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,I,R0,R1,A,AD分別為標準電流、被測電阻、標準電阻、放大器、AD轉換器,U01,U02分別為標準校準電壓信號和被測電壓信號,設對應的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。在單片機控制下,U1和U2的通道IN1導通時,有
U01=IR1
 
　　由式(4)、(5)可見,由于采用了與標準信號采樣值比較的方法,且數據采集周期極短,使得被測電阻只與標準電阻R、標準校準信號的采樣值S、被測信號的采樣值S;有關，與電流源無關,大大減小了放大采樣通道的放大倍數、零點漂移和非線性的影響,因此,提高了測量精度，實現了電阻值測量,測量精度主要取決于AD轉換器的分辨率。
2.整機結構
　　整機原理結構，由信號處理單元、放大單元和數據采集及處理單元等組成見圖2。使用環境溫度在0~50℃。
 
2.1信號處理
　　信號處理單元由熱電阻Rt.AD590M、標準電阻R1、多路模擬開關U1和U2等組成。圖中r是熱電阻引線等效電阻。標準電阻R1用錳銅絲繞制而成,性能穩定。AD590M用作標準電流源,其輸出電流I經多路模擬開關U1分別由4個支路輸出,在R:上形成標準校準電壓信號Uo1、在熱電阻R..上形成輸人信號U02,在引線電阻2r上形成引線電阻補償信號U03,在接地線上形成零點校正信號U04。為了提高測量精度,電路設計時讓4個支路負載電阻盡量相同,熱電阻采用三線制連接,3條引線敷設環境和長度相同,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境的熱力學溫度(開爾文)度數,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。
 
　　因為數據采集周期極短,在-一個數據采集周期內可以認為環境溫度是恒定的,即電流I是恒定的。實際測試表明,當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做標準恒流源。
2.3放大單元
　　放大單元由運算放大器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選用斬波穩零式精度高運算放大器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，當環境溫度為50℃時,AD590M輸出電流為323.2μA,可得到放大器的放大倍數為K=10V/(390.48ΩX323.2μA)=79.237pμV/μV。實際測試表明放大倍數為800時性能仍然穩定。
2.4數據采集及處理
　　數據采集及處理單元由12位A/D轉換器、單片計算機、數碼顯示和串口等組成.主要完成邏輯控制、數據采集、運算處理、分度表查詢、報警、溫度顯示和溫度數據串口輸出等功能，見圖2。邏輯控制和數據采集可由表I說明。設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)式即是本裝置計算熱電阻的基本關系式。數據采集及處理系統在單片機控制下完成數據采集后，即按(13)式計算熱電阻值，然后查分度表求出溫度值輸出和顯示。式中R1-390.48Ω,溫度值顯示到小數點后1位.兩溫度點之間按線性內插計算參考溫度。實際計算時S1,S2,S3先減去零點校正值S4后,再代入式(13)計算熱電阻值。
 
3軟件設計
　　系統軟件主要完成多路模擬開關的邏輯控制、信號采集、熱電阻計算.引線電阻補償、由分度表查詢溫度值、溫度點之間的參考溫度計算、越限報警、溫度值申行數據輸山和溫度顯示等功能。主程序框圖見圖6。程序采用模塊化結構,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，每個溫度點的熱電阻值以10mΩ為單位，用16進制數存于2個字節中,共占2102個字節,分度表存放于系統程序之后,分度表相對地址除2即為對應的溫度值。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行調整，當斜率為2.823℃/Ω,截距為275.593時,其誤差均勻分布,在±8.26Ω以內，見圖8。最大誤差時溫度最大相當于±28.5℃.因此,在求得R.后,將R乘以2.823,得到的數據乘2作為查表的相對起始地址(即溫度值),在該地址前后±29℃范圍內采用比較法最后確定溫度的準確值。當單片機主頻為6MHz時,數據采集、運算、查表、輸出、顯示等的工作周期約為70ms.
 
4誤差分析及測試結果
　　由式(13)可求出Rt的合成標準不確定度為回
 
　　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的標準不確定度,其值均為1/(2X4096X√3)。uc(R1)是R1的標準不確定度,R1的最大誤差為0.005Ω,按正態分布,取置信概率為0.997,其值為uc(R1)=0.005/3Ω。將以上數據代人式(14),可得R,的合成標準不確定度uc(Rt)=0.033Ω,按正態分布,取置信概率為0.997,則R,的擴展合成標準不確定度為U=3uc(Rt)=0.10Ω[6,相當于0.34℃。由Rt查表求溫度的誤差是計算R,時的舍人誤差,其值為0.005Ω,相當于0.02℃的誤差。因此裝置的總不確定度由以上2項決定,為0.39℃。不計熱電阻本身誤差時,實際測量誤差在±1℃以內。表2是在給出等百度點上電阻值時的部分測量結果。
 
5結論
　　本裝置將AD590M作為恒流源,采用與標準信號采樣值比較的方法對熱電阻的電阻值進行測量，大大減小了放大器、AD轉換器溫度漂移和非線性的影響,提高了信號測量精度，在得到熱電阻數值后.采用查分度表的方法求取溫度值,實現了真正意義上的線性化溫度測最,并且,實現了全分度范圍的溫度測量。不計熱電阻本身誤差時,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、實用的精度高測溫裝置。