精度高鉑電阻溫度測量方法

摘要:鉑電阻是工業測控系統中廣泛使用的理想測溫元件。常規的溫度采集方法是通過測量電阻橋的不平衡電壓來實現,其性能依賴于選取的模數轉換器精度,精度高測量成本過高。提出一種新的精度高,低成本的鉑電阻測溫方法。先用RC振蕩器將鉑電阻變化調制為時變頻率信號,再用SSP1492芯片測量該頻率變化量,最后送入C8051F021單片機,用高階多項式完成頻率變化到溫度變化的解算,實現精度高溫度測量。實驗結果表明,該方法的測量精度等級高于a03%(Es)。
　　標準鉑電阻溫度計具有精度高.高靈敏性和高穩定性等特點,因而被廣泛應用于智能儀器儀表的溫度測量。現有方法大多是先將電阻變化通過電阻橋轉換為電壓信號,再經過一系列濾波和放大處理后,送入A/D轉換器完成溫度采集。這類方法需解決好以下問題:
(1)由于溫度對鉑電阻阻值和放大器帶來的影響,系統在環境溫度變化時會產生一定的系統誤差。在高精度測量中,尋找有效的溫度補償方法是需要面臨的難題之一。
(2)隨著測量精度的提高,高分辨率A/D轉換器的價格增大,導致測量儀器成本過高是所面臨的另一個問題。
　　給出一種新的鉑電阻測溫方法,通過RC振蕩器,將鉑電阻變化量轉換為頻率信號,解決了傳統方法中由于溫度變化及不平衡電阻橋所帶來的非線性問題;通過測量頻率變化量值來解算鉑電阻的阻值變化，從而計算出被測溫度值,省去A/D環節,在精度高測溫時降低了設備成本。
1測量原理
1.1傳感器信號調理
　　使用傳感器首要的問題是如何將傳感器輸出的模擬信號數字化,本設計采用了一種將鉑電阻阻值變化調制為時變頻率信號的方法。為把傳感器的阻值變化轉換成頻率變化,可將鉑電阻放入RC振蕩電路,如圖1所示。振蕩電路由比較器和連在正反饋端的觸發器組成,在振蕩電路中,傳感器看作可變電阻。通過對觸發器設置適當的閾值即可將傳感器的阻值變化轉換為時變頻率方波)信號。再將該信號輸入到如圖2所示的計數器,在給定的循環周期內利用高速計數器解調頻率信號，從而數字化為與振蕩頻率成比例的值,繼而成比例于被測物理量(溫度值)。
 
1.2測量結果推算
　　根據上述調理方案,要完成溫度解算,最直接的方法是先由測得的計數值,計算出信號變化的頻率值,由于頻率與RC震蕩電路的時間常數成反比關系,即
 
　　式中:Fe為測得的信號變化頻率值;R為鉑電阻阻值;C為振蕩器電容值;k為時間比例系數。
　　由式(1)可知,如果Fe、C和k已知,就能求出鉑電阻當前的R,繼而由阻值換算出溫度值。然而,上述方法需處理好如”下問題:
(1)求取k較繁瑣,需通過反復實驗才能確定推導過程并不復雜),實踐證明,其互換性較差。
(2)電路中難免存在一些寄生電容和開關電阻等,會影響到測量結果的推算。如電路中的開關電阻會與鉑電阻阻值疊加，成為式(1)中的R部分;電容也有類似的情況,要消除這些干擾的代價很大。
為此,提出一種直接用多項式擬合來解算溫度值的方法。即在儀器的測量范圍內均勻改變恒溫槽溫度,同時記錄計數值與標準溫度值,然后用高階多項式對兩組數據進行擬合,得到計數值與標準溫度值的映射關系,從而得到一組多項式系數,以后測得的新的計數值用該組系數即可算出對應的溫度。避免了上述問題中繁瑣的試驗及中間計算環節導致的各種誤差,系統標定、校準過程簡單,易實現軟件自動化。
2系統設計
21硬件設計
　　硬件主要包括了C8051F021主控模塊、信號調制解調模塊、電源模塊,串口通信模塊及顯示模塊。系統硬件框圖如圖3所示。
 
2.1.1單片機選型
　　單片機負責接收.上位機發送的各種控制命令,根據命令控制采集電路完成溫度測量,并將結果送回上位機。現有測量儀表使用的微處理器大多是8位和16位,也有少數采用32位。出于便攜性考慮,微處理器的體積應盡量小,功耗應盡量低。實時性和正確性要求微處理器的運算速度要快。選擇SiliconLabs公司生產的C8051F021微處理器,該處理器采用工業標準的8位核心,具有增強型指令集,最高達20MIPS。C8051F021微處理器的待機功耗很低,標準狀態時低于1μA,在喚醒模式下的功耗小于20μA;支持SPIIC及RS-232等申行總線,滿足需要的各種外設接口。特別適合需高性能,低功耗與多種封裝選擇以獲得系統成本的應用。
2.1.2電源設計
　　提供兩種供電方式:3.6V鋰電池或外接5V直流電源方式。由于選擇大多芯片的正常工作電壓為3.3V,在用鋰電池供電時,電源轉換時損失的電壓不能太高,否則電路無法正常工作。選用MC2211作為電源轉換芯片,該芯片能夠接受2.25~550V的電壓輸入,因而同時兼容鋰電池和5V直流電源兩種供電方式;它以80mV/100mA的壓降提供最大150mA和300mA兩路輸出,能最大限度的發揮鋰電池的電量;選擇兩路電源輸出的目的是將系統供電與無線模塊供電分離,消除干擾。外接電源接口設計為A型USB接口,便于用臺式機,特別是移動電腦供電或充電。
2.1.3溫度測量電路設計
　　測溫原理已在第1.2小節給出,其核心電路如圖4所示。由于SSP1492能接受的振蕩器頻率在1MHz內,而PT100溫度傳感器的電阻值約為1002,所以選用6800pF的固定電容即可構成滿足要求的RC振蕩器。SSP1492下方的是計數參考時鐘電路,該電路能產生18MHz的時鐘信號,用于頻率信號解調計數器觸發的時鐘基準。
 
　　SSP1492與微控制器C8051F021間采用共同的電源和復位源,數據交互通過SPI接口實現。單片機發送命令到SSP1492,控制振蕩器開關,計數器計數操作等,SSP1492計數結束后,置位STAIUS引腳,以中斷的方式告知單片機,單片機再通過SPI總線讀取測量結果并清除中斷標記,如此循環完成信號采集。
2.1.4通信接口設計
　　與上位機之間的通信接口采用RS-232標準,在距離較近時可采用串口線連接,距離較遠或多個設備同時工作時采用無線連接方式。選用HACUEM型微功率數傳模塊,該模塊的最大發射功率小于80mW,采用433MHz載頻頻段,在9600bp的波特率下能可靠傳播1200m以上,且滿足工業級標準。經測試,在較復雜的現場環境下，該模塊能穩定.有效的傳送數據。
　　HACUEM雖兼容UART和RS-232兩種接口，但PC機不提供UART方式,需在單片機和PC之間用MAX232芯片對串口電平進行轉化以匹配兩者的電平。而HACUEM則直接并聯到單片機的UART上,這樣,有線和無線兩種方式即可根據需要選用。.
2.15顯示模塊設計
　　C8051F021沒有集成液晶驅動模塊,所以測溫儀選用GXM1602C點陣式字符液晶顯示器模塊來顯示測量到的溫度值和計數值等信息,該液晶模塊與微處理器間的連接較簡單,操作方便。電路連接如圖5所示。
 
2.2軟件設計
　　為合理分配計算開銷,在軟件結構上采用上下位機配合的方式。上位機主要負責較為復雜的數據處理,圖形顯示和數據的后臺保存工作;而單片機主要處理一些邏輯控制或實時性要求較高的處理任務。這樣設計的優勢還體現在軟件結構清晰,各功能模塊易于管理和維護。
2.2.1單片機端軟件設計
1)系統初始化。在單片機上電復位時對系統進行初始化。首先是C8051F021自身的初始化,然后是對SSP1492的初始化,完成后將初始化狀態標志置位(該標志用于，上位機查詢硬件初始化狀態),最后進入節電模式等待上位機發送命令。
2)通信與數據幀格式。測溫系統與上位的通信采用兼容RS-232的通信方式。測溫儀作為從機，上位機作為主機控制并監視測溫儀,以半雙工方式互傳數據,通信波特率為9600bps其格式采用1位起始位,8位數據位,1位停止位。通信幀格式定義為:起始符(1Byte)、從機地址(1Byte)、控制碼(1Byte)、數據(NBytes)、校驗字節(1Byte),結束符(1Byte)。起始字節表示啟動一次通信,將從機.從休眠狀態喚醒,或將其從工作狀態中中斷;從機地址用于判斷那個從機需要處理主機命令,未指定的從機可繼續保持休眠狀態;控制碼代表從機要執行的任務;校驗字節用來驗證本次通信的正確性,以起始符之后,校驗字節之前所有數據加全的低8為作為校驗字。每個從機預先都需設定一個8位地址,使從機響應主機與否都能通過主機發送的命令幀中的地址來判斷,為便于主機管理,從機地址還可由主機重新設置。另外,上下幀采用統一的格式，因此,下位機僅需更新命令幀中的數據和校驗字節即可完成上行幀的組裝。從而實現主機輪詢，從機應答的無線通信方式。
3)數據采集與發送。當設備初始化成功,且從機接受到.上位機發來的數據采集命令后,根據上位機發來的相應的配置信息設置SSP1492,啟動振蕩器,待計數周期結束后,由C8051F021通過SP聰線從SSP1492內部存儲器中將計數值讀出,將其轉換為IEEE32格式的浮點數,以小端模式存放到數據幀緩存中,將發送待命標志置位,關閉振蕩器并使SSP1492進入休眠狀態,完成--次采集任務。發送模塊負責數據組裝為上行幀,再由RS-232串口發送回.上位機。
2.2.2，上位機端軟件設計
1)濾波。濾波器按照其時域沖擊響應可分為有限沖擊響應(FR)和無限沖擊響應(IR)兩大類。FIR濾波器具有易設計,穩定性高及線性相位等優點。而IIR濾波器可采用較少的權值得到較長的沖擊響應,計算量較FIR濾波器降低,有效提高了運算速度,但不具備線性相位,設計過程也與穩定性密切相關。用IIR近似FIR是一種有效的,能同時繼承FIR和IIR兩類濾波器優點的設計方法“。即先設計滿足要求的FIR濾波器,再通過降階的IIR濾波器對其進行逼近。采用文獻[9]中的方法來實現對計數值的濾波。
2)數據保存格式。微軟推出的office辦公套件中的Excel是-款具有相當普及度的電子表格處理軟件,利用它能直觀且方便的完成各種較復雜的數學運算。不需編制任何軟件,只需在Excel的相應單元格中輸入相應的公式即可完成一次數據處理。此外，Excel還具有強大的圖形顯示功能,為用戶提供友好的人機界面。將采集到的數據保存為與Excel兼容的文件格式,每行數據采用統一的保存格式,即日期(年1月舊);時間(小時:分鐘:秒鐘);數據1;數據2;;數據n。這樣做的好處是，一方面,用戶可根據需要對歷史數據進行各種查詢操作;另一方面,利用Excel提供的數據處理和圖形功能,能快速的對數據進行一-些數學分析和顯示,這對于現場作業非常有利。.
3)軟件界面設計。采用VC++60開發環境,實現了用于WindowsXP環境下數據采集與監控軟件。圖6是工作中的上位機軟件界面。左上方以圖形方式動態的顯示采集到的數據,每條曲線表示相應通道采集到的溫度。右上方是控制面板,給出常用的控制信息,方便用戶快速操作,這些信息還包含在下拉菜單當中。最下方顯示的是最近幾次采集的歷史數據,與圖形顯示區不同，這里以數值形式給出,并與保存格式相同。
 
3實驗結果
　　為驗證所提出方法的有效性,用兩組實驗來進行驗證和分析。
1)第一組為檢定實驗,該實驗的目的是檢定測溫系統的測量精度。使用國家--等溫度標準裝置。該裝置由一等數字測溫儀，Pt100一等標準鉑電阻,RTS-40C型恒溫槽組成。該裝置的測量范圍為-60~+60℃,檢定系統的最大不確定度為±00039C,實驗環境溫度為26℃,濕度RH=61%。檢定結果如表1所示。
 
　　由表1可看出,被測溫度從-50~+60℃變化了110℃,而實測溫度值與標準溫度值的最大誤差為0.03℃,所以系統的最大測量誤差小于0.03%(Es)。
2)第二組為比對實驗。實驗目的是比較測溫系統與現有精度高的標準測溫系統間的正確性。溫度傳感器為兩支相同型號且同一批次的一等標準Pt100鉑電阻。在試驗中，兩支傳感器放置在恒溫槽中部且靠的足夠近。此外,考慮到恒溫控制打開時,風機轉動會增加擾動，影響兩支傳感器的同步性,為此,全部過程中恒溫功能均為關閉狀態,其他條件同試驗。
　　在上述條件下,同時用兩種測溫儀采集了從-50~+60℃之間的各個整數溫度值,進行差值后的數據如圖7所示。由圖可看出,在溫度范圍中與1560型Hart溫標相比,測溫儀的絕大多數溫差在±0.1℃范圍內,兩者具有較高的吻合度。
 
4結束語
　　提出了一種新的鉑電阻測溫方法,給出了詳細的設計過程，并進行了實驗驗證。總結如下:
1)與傳統的A/D轉換方式不同,提出的方法采用基于頻率的信號調理技術,先將鉑電阻變化轉變為頻率信號,再通過后續的頻率計數、濾波和高階多項式解算,實現了采用標準鉑電阻的精度高測溫儀。實驗結果驗證了提出方法的有效性,系統最大測溫誤差為±003℃,分辨率為0.01℃。
2)測溫系統的核心硬件由純芯片實現,鉑電阻傳感器實際上工作在無源狀態,系統具有抗干擾能力強,功耗低,成本低,體積小等優點。經反復測試,當系統無線方式)使用3.6V.1800mA鋰電池供電時,連續工作時間可達29.5h。
3)理論，上,系統的測量分辨率僅與傳感器(電阻)的最小變化量有關,但精度高的溫度測量以增加采樣周期為代價,實際使用時需要視具體應用選擇適當的分辨率。建議用于對精度具有較高要求,但實時性沒有嚴格限制的溫度測量儀器。如標準溫標,標準溫度比對器或嵌入式手持測溫儀等。
采用該方法的測溫設備已在高校和企業中投入使用,并取得了良好的效果。