多通道热电阻精密测量中温度漂移的补偿法

发布时间:2020-09-21     浏览次数:
摘要:针对温度测量过程中的多通道热电阻温度漂移问题,分别从温度传感器的选取、测量方案的设计、实际测量电路和滤波算法4个方面给出了具体的解决方案。详细阐述了后级两级AD623信号放大及调理电路和AD转换电路的设计方案,并给出了它与微控制器的应用接口电路。实际应用表明,该方案满足分辨率为±0.1℃、准确度为±0.2℃的设计要求。
       温度测量是典型的小信号测量,影响其测量精度的因素很多,如温度传感器、恒流源和标准电阻的特性,防雷、运算放大器的失调电压、放大倍数和零点电压的漂移,A/D转换器的误差等。针对上述影响因素,在实际测量过程中需采取相应的措施进行温度漂移的补偿。
       某多点温度测量系统对测量数据的精度要求较高,这就对系统中测量温度的补偿校正提出了较高的要求。笔者分别从温度传感器的选取、测量方案的设计、实际测量电路和滤波算法4个方面,实现了较高精确度的温度补偿,满足了系统对测量数据的要求。
1温度传感器的选取
       由于铂在高温和氧化性介质中的化学、物理性能稳定,而且铂电阻的输入-输出特性接近线性,用铂电阻制成的温度计计量精度高,所以本系统选用Pt100铂电阻温度传感器,其电阻值与温度之间的关系如下:
a.在0~+850℃范围:RT=R0(+At+Bt2);
b.在-200~0℃范围:RT=R0[1+At+Bt2+C(t-100)t³]。
上述关系中,R0=100Ω0℃时的电阻值),A=3.90802×10-3,B=-5.802×10-7,C=-4.27350x10-12。
2基于自校正及四线接线的测温方法
       本系统中,温度监测点有6个、测量范围为-50~+50℃、分辨率为±0.1℃、准确度为±0.2C,并且每个监测点与温度采集主板由几十米的导线连接,因此导线的电阻对温度测量的影响不可忽视。笔者提出如图1所示的基于自校正思想设计的测温法和四线制接线法的电阻测量电路解决了这个问题。四线制接线法的电阻测量电路原理是电流源走两条线图1的①、②号线),回馈的电压信号走两条线图1的③、④号线),由于电压回馈线不流电流,因此外接引线没有压降,输入的电压信号只是热电阻两端的电压,这样就消除了引线电阻造成的影响。
       图1中的3个电阻上的电压分别为uil=IsR、ui2=IsR2、uir=IsRT其中Is为恒流源电流,在一段时间内可认为是一恒定值)。设放大调理电路的电压放大倍数为Ke,总的零点偏置(含漂移)为Dr。Ke、Df虽有漂移但短时间内仍可认为其不变,则3路电压信号经放大调理电路放大后的输出分别为

基于四线制接线法和自校正设计的电阻测量电路图示
       同理,将上述结论扩展到A/D转换后的输出。在短时间秒级)内A/D转换对V01、V02和V0T的影响基本相同,所以转换后的结果不会改变三者的相对关系。设V01、V02和V0T经A/D转换后的输出分别为D1、D2和DT,则有:

       由此可见,铂电阻值RT只与A/D转换后的相对值有关,漂移对测量的影响被抵消了。本测量方法同样可以克服长引线电阻带来的误差。此方法对整个电路的漂移都具有实时的自校正功.能0.2。并且由于电路中采用了“四线制”接线法,克服了长引线电阻带来的误差。
3信号放大及调理电路
       多通道热电阻信号属小信号测量,小信号测量是智能仪器仪表和测控中的关键技术,直接关系到多点温度测量系统的测量精度。将前端采集到的温度信号经过多路模拟开关传送到信号放大及调理电路进行放大,其电路如图2所示(两级AD623均采用双极性+5、-5V供电)。

       AD623的增益G由1脚和8脚之间的阻抗来决定,其计算式为:

       由式6)可得,信号经过第1级AD623后电压输出信号放大了11倍。为了防止信号超过AD7715的量程(-0.03~2.5V),特设计第2级AD623进行信号调理。第1级AD623的输出端接到第2级AD623的正输入端。AD623是2.5V精密带隙基准电压源,其输出端为精密+2.5V电压,通过可调电阻RP2接第2级AD623的负输入端。第2级放大倍数可以通过调节电阻RP3调节,从而使得第2级AD623的输出量程AD7715的输入信号范围)控制在0~2.5V,保证后端AD7715满量程工作,模数转换数据更为精准。
       在实际测试过程中发现第1级AD623放大电路输出信号稳定,但第2级AD623放大电路输出电压值不稳定,漂移幅度在几十个毫伏以内。通过实验证明,第2级AD623放大电路输出不稳定的原因是AD623这个器件本身的特性引起的,即AD623对共模信号的抑制能力差。第1级AD623的共模输入电压小,但第2级AD623的共模输入电压较大,输入不稳定是由AD623的共模信号输入引起的。针对这个问题,用精密表测试第2级AD623的输出,并调节精密电阻器RP2,直到精密表显示为0,这样做的目的是对第2级AD623的共模信号进行补偿。
       通过以下实验验证两级放大电路的有效性目,在前端装设3个阻值分别为100、110、1200,精度为+0.02%,温度系数为±2×10-6。的精密电阻,接通电源给系统上电,通过测量第2级放大输出,标准110Ω电阻的采样值为标准100Ω和标准1200电阻采样值的均值,此时热电阻信号通过两级AD623放大电路得到合理、精确的放大。
4.A/D转换电路
      经过信号放大和调理电路的温度采集模拟信号需经A/D转换器转换为数字信号。而单片机系统中A/D转换器的转换误差较大,这是由于A/D转换器的量化、偏置、增益和非线性误差导致的,因此A/D转换器的选取非常重要。由于AD7715具有程控放大器和较强的干扰抑制能力及较高的性能价格等优点,所以笔者选取AD7715用于配接热电阻的温度变送器的信号测量,AD7715与P89LPC935单片机的接口电路如图3所示。

       此外,还要注意A/D转换与多通道开关时间上的配合,由于数字滤波器具有存储以前输入的功能,在8路信号分时段采样中,从一个模拟通道输入到下一个模拟通道输入之间应调用延时函数延时几微秒印,等待信号稳定下来。
5滤波算法
       本系统的性能要求很高,加上系统所处现场.干扰源较多,环境比较恶劣,为了减少对采样数据.的干扰,提高系统的性能,需对采集数据进行校正,这样可以使显示温度数据更接近实际值。本系统选用的软件滤波方法是算术平均值滤波法,即对信号采集N次,并取N次测量的平均值作为某时刻的输出目其数学表达式为:

6结束语
       笔者设计的多通道热电阻精密测量中温度漂移的补偿新方法,已成功应用于大亚湾中微子探测器环境监控系统中,满足分辨率为±0.1℃、准确度为±0.2℃的设计要求。系统投用以来工作稳定、可靠。
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