關于提高熱電阻溫度測量精度的設計方法

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、測量方案的設計、實際測量電路、硬件自校正、微處理器的選擇、模擬信號預處理、濾波算法和軟件非線性校正等方面給出了具體的設計方案。詳細分析了自校正補償及微信號采集轉換電路的設計方案,設計了與DSPF2812的接口電路。實際應用表明,通過上述改進方案,熱電阻溫度測量精度可以達到10ppm的設計要求。
在日常工業生產和科學研究中,溫度是非常重要的測量參數。隨著科學技術的進步以及生產工藝的提高,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、恒流源和標準電阻的特性運算放大器的失調電壓、放大倍數和零點電壓的漂移、A/D轉換器的誤差接點熱電勢以及測量電阻的接線方式等。針對上述影響因素,在實際測量過程中需采取相應的措施提高溫度測量的精度。
　　選用的微處理器是數字信號處理能力較強的TMS320F2812,其具有集成度高、電路設計簡單、使用靈活、開發方便的特性。相比普通的微處理器,該DSP內部A/D模塊具有高達16通道的數據采集能力,可進行精度高的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、實時動態效果佳等優點。
　　針對熱電阻溫度計實踐中存在的或者可能存在的情況進行了分析,從測溫系統的硬件設計、自校正溫度補償、預處理模塊設計以及軟件修正方面,實現了精度高溫度補償,提高了溫度測量系統精度。
1測溫系統的硬件設計
　　溫度信號測量屬于微信號采集的過程,以下從熱電阻溫度傳感器的選型、四線制接線方法、測溫系統的補償設計等方面,對溫度采集系統進行優化設計。尤其是針對電路漂移緩慢的特性,采用自校正設計方法:的信號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-一個或多個感溫電阻元件組成,帶引線、保護管和接線端子的測溫儀器。由于鉑在高溫和氧化介質中的化學、物理性能非常穩定,而且鉑電阻的輸人-輸出特性接近線性,具有較好的復現性,用鉑電阻制成的溫度計精度高,所以選用高純度的A級工業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體的電阻值隨溫度的增加而增加這一特性來進行溫度測量的。即在一定的溫度下,先測量出鉑電阻的電阻值R，然后得出等價的溫度T,其電阻值與溫度之間的經驗關系如下1-21。

1.2四線制接法
　　針對精度高測溫系統,應該考慮從感溫元件接點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-是用來監測熱電阻的電壓變化。電流回路和電壓測量回路獨立分開,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。
1.3轉換開關及電流換向
　　任何轉換開關都存在接觸電勢,接觸電勢對測量精度的影響視其性能好壞而定,--般工業級熱電阻測溫應采用不超過1μV接觸電勢的轉換開關。當熱電勢值大小為1μV時，以0℃時的微分電勢0.39Ω/℃計算,帶來的影響為2.56mK;若熱電勢較大的轉換開關，則按相應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換開關，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,被電流換向電路補償,消除了熱電勢的影響。
2測溫系統自校正溫度補償設計方案
　　由于環境溫度對電阻和運放性能的影響,使得測量系統在環境溫度變化較大時產生較大的誤差,這就要求在精度高測量中,需要尋找可靠的溫度補償方法。本文方法是通過硬件電路補償溫漂影響,這種方法在各種傳感器中都有應用,主要是在前置放大器電路中加入相關補償電路,指導思想是通過信號比較法消除漂移的影響。硬件自校正電路如圖3所示。總的零點偏置(含漂移)為Dƒ,Ke、Dƒ雖有漂移但短時間內仍可認為其不變,則3路電壓信號經放大調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轉換后的相對值有關,電阻漂移和運算放大器漂移對測量的影響被抵消了，此方法對整個電路的漂移都具有實時的自校正功能。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的電阻值。
3預處理電路模塊的設計選擇
3.1TMS320F2812微處理器的ADC模塊
　　本系統微處理器采用TI公司的32位定點芯片TMS320F2812,外部采用低頻時鐘經過鎖相環倍頻后最高可在150MHz主頻下工作,其ADC模塊采用級聯成一個16通道的順序采樣模式對數據進行采集、處.理。轉換結束后采樣的通道值就會被保存到相應的結果寄存器中。該模塊單通道轉換的最小的轉換時間是80ns,因此，TMS320F2812的最大采樣速率可達到12.5MHz,同時,其內部具有電壓比較電平,可以確保電源漂移情況下數據采集的可靠性。
3.2預處理電路模塊
　　熱電阻信號屬小信號測量,小信號測量是智能儀器儀表和測控技術的核心,直接關系到溫度測量系統的精度等級。模擬信號的預處理模塊將前端采集到的溫度信號經過低電勢多路轉換開關傳送到信號放大及調理電路進行放大，并將處理的信號最終送至DSP微處理器A/D轉換端口,其電路如圖4所示。

　　信號調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

　　通過兩級信號放大電路,根據測溫范圍和對應電壓大小,來選擇合適的放大率,使最終輸出的信號能夠達到DSP微處理器的A/D輸人電壓滿量程范圍(0~3V)。同時,為了防止外部串人干擾信號,造成信號放大電路超出微處理器滿量程范圍,可以在信號進入微處理器模數轉換端口前添加齊納二極管和電容,確保微處理器的安全。在某系統中證實采用了此電路其抗干擾能力較強,可在大溫度變化條件下使用。
4軟件處理
4.1數字濾波算法
　　精度高測溫系統對性能要求很高，并且系統所處現場干擾源較多,為了減少對采樣數據的干擾，提高系統的性能,有必要對采集數據進行處理,可使溫度數據更接近真實情況。
通過對采樣信號進行濾波處理可減小由于外界干擾或某些不可預知的因素帶來的隨機誤差，模擬量在受到干擾后,經A/D轉換后的結果偏離了真實值,可能會出現一些隨機的誤差,如果只采樣--次,在高采樣率情況下無法確定結果是否可信。必須通過多次采樣得到一個A/D轉換的數據序列,通過軟件算法處理后才能得到-一個可信度較高的結果。這種方法就是數字濾波。數字濾波方法有多種,如中值濾波、算數平均濾波去極值平均濾波、加權平均濾波、滑動平均濾波。本文采用去極值平均濾波法。算法原理如下:對于溫度信號對應的電壓采樣值,連續采樣n次,將其累加求和,同時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個采樣值求平均,即有效采樣值。

4.2軟件實現非線性校正方法
　　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，可見該函數曲線dt2是一條單調_上凸曲線,如圖6所示,即電阻溫度存在一定的非線性關系。其實每只鉑電阻溫度計的電阻溫度特性是不相同的，內插公式中的系數A、B、C和R針對每只鉑電阻溫度計應該不同,為了表達方便,將以上系數稱為特征系數。所以對精確測溫的鉑電阻就要單獨分度,實際應用中常用線性化方法有查表法、數學公式法、作圖法,采用校準的方法對鉑電阻進行多點測試,確定其測溫特性,用式(1)和式(2)計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、測試點越多,采用的擬合方法越好,其效果越好。軟件上的改進,可以在未增加成本下很好地改善測量精度。

5測溫實例
　　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據經處理后明顯消除了脈沖干擾,有效地克服了隨機噪聲干擾,并且取得了穩定的高分辨率效果(圖中因縱坐標表示的量值不同而未一致)。其他改進效果圖就不在這里一一列出。

6結束語
　　從工程實際出發,在熱電阻溫度傳感器的硬件設計和軟件優化方面進行了改進,用于某精度高測溫系統,測量精度可以達到10ppm,切實改善并提高了溫;度測量系統,可作為溫度計量標準使用。