一种精度高灵活性好热电阻测温模块

摘要:介绍一种热电阻测温模块的设计方法。该设计利用高集成度、精度高ADC芯片ADS1248实现了一种精度高高灵活性热电阻温度采集模块。该模块可以接入8路三线制热电阻也可以接入4路四线制热电阻采集精度为0.1%。
0引言
       温度量是工业场合用到最多的物理量之一。热电阻是一种常用的温度传感器,其特点是:准确度高、线性度较好、性能稳定。按接线方式划分热电阻有以下三种:二线制热电阻、三线制热电阻、四线制热电阻。由于二线制热电阻测量准确度受线电阻影响大,因此实际应用中往往采用三线制或四线制热电阻。三线制热电阻成本较低接线较方便;而四线制热电阻可实现更高的测量准确度。
       本文给出了一种热电阻测温模块的设计方法。该热电阻温度采集模块可实现对温度的精度高采集采集精度可达0.1%。同时该模块具有接入热电阻灵活性高的特点可接入三线制热电阻也可接入四线制热电阻为用户带来便利。
文中提到的热电阻种类均指PT100类型热电阻。
1系统硬件设计及原理
1.1硬件框图
       系统硬件框图如图1所示。图中MCU为主芯片;ADS1248为采样芯片系统中共使用2片ADS1248;在MCU与ADS1248之间的通信信号采用了磁耦芯片ADuM1401进行隔离;外接24VDC电源通过隔离DC-DC模块转换成5V为采样电路供电。主芯片与采样芯片间通过串口进行通信,MCU与ADS1248通过SPI口进行数据交换。
此模块为可编程控制器的扩展模块,因此具有扩展总线。通过扩展总线该模块与可编程控制器主机进行数据交换。
1.2ADS1248特性及应用
       TI公司的ADS1248是高度集成的24位精密ADC芯片它集成了低噪音可编程增益放大器(PGA).单周期设定数字滤波器的精密DeltaSigmaADC、振荡器、多路选择开关(InputMux),可采样4组差分或7组单端输入;该芯片还具有50/60Hz同步抑制模式;传感器断线检测功能。设计中使用该芯片,可简化设计提高性能。
1.3三线制热电阻测量方法
       文中所设计的热电阻模块可以接入三线制热电阻。在采样三线制热电阻时通过配置ADS1248使得恒流源与热电阻的连接关系如图3所示。图中R.,Rn2,Rn3为三线制热电阻三根连接线的线电阻。ADS1248采集芯片内部集成以下部件:恒流源(IDAC1,IDAC2)多路选择开关(MUX),可编程运放(PGA)模数转换器(ADC)。Re为参考源取样电阻，该电阻接于ADS1248外部。

       三线制热电阻采样时,首先需要对多路选择开关进行配置。MCU通过SPI口向ADS1248写入控制字,达到对多路选择开关MUX的配置目的。通过配置多路选择开关使得2个电流源与三线制热电阻的连接关系如图2所示。连接关系配置结束后配置PGA参数然后配置电流源并启动电流源。当电流流过热电阻RTD时会产生压降;同样电流流过热电阻的连线电阻时，也会产生压降。加在PGA.上的差分电压如式(1)所示。


       式中:u为加在PGA.上的差分电压;R_RTD为实际热电阻值;Rw1为热电阻a端一-根导线的电阻;Rw.2为热电阻b端一根导线的电阻;i为恒流源输出电流值。
       两路恒流源电流汇聚后,流经参考源采样电阻Ref产生压降。该电压作为ADS1248内部模数转换器参考源参考源电压如式(2)所示。

      式中:Vref为实际参考电压;Rref为实际参考电阻值;i为恒流源输出电流值。
      通过公式推导三线制热电阻采样值与实际值的关系如式(3)所示。

       式中:Rrld为实测热电阻值;R_RTD为实际热电阻值;REP.为理论参考电阻值。
       由式(3)可知三线制热电阻测量精度与热电阻线电阻差值(Rw1-Rw2)参考源采样电阻Rref的精度有关。
1.4四线制热电阻测量方法
       在采样四线制热电阻时通过配置ADS1248使得恒流源与热电阻的连接关系如图3所示。.

       采样四线制热电阻时，只用到1个恒流源此时加在PGA输入端的差分电压如式(4)所示。

       可见,四线制热电阻采样精度只与参考源采样电阻Rref的精度相关。
       对比式(3)和式(6)可充分说明三线制热电阻及四线制热电阻的精度差异及其原因。
2系统软件设计
       图4为系统软件主流程图。系统上电后,首先进行初始化工作然后根据外部信号判断是否进行精度校正操作(精度校正在只在产品出厂时进行一次)然后进入主循环。在主循环中首先取扩展总线上写入的配置信息(通道开启、量程、线制、温度制式、断线默认值等配置信息)并作设置,当配置信息与前次不相同时才进行配置操作。

       主循环的第二个操作是断线检测。通过断线检测步骤被开启但出现断线故障的通道号被标记。接下来是采集热电阻通道程序只对开启且没有断线故障的通道进行采样。对所有正常通道采集完成后便依据采样值(电阻值)、断线状态和通道配置计算出各通道的温度值没有开启的通道温度值为0。得到所有通道温度值后便把这些温度数据写到相应的内存区域等待可编程控制器主机读取。
       在热电阻阻值到温度值的转换过程中采用了查表法和线性插值。主芯片的FLASH中预先存有PT100分度表(符合JB/T8622-1997标准)温度步长为1℃。当采样热电阻得出热电阻的电阻值后通过查表和线性插值得出对应温度值。
3精度提高的措施
3.1参考电阻Re
       由式(3)和式(6)可知无论三线制或是四线制热电阻采样精度都与参考电压取样电阻R.相关。因此,要想实现精度高测量必须选择精度高和高稳定性电阻作为Rref。为实现0.1%的测量精度实际应用中选取了精度为0.05%的低温漂电阻作为参考电压取样电阻。
3.2PGAoffseterror校正
       式(3)和式(6)推导过程基于理想情况,即PGA和ADC均不会引入误差但实际情况并非如此。实际应用时发现PGA的ofeterror(PGA差分输入电压为0时输出并非为0)较大使得测量值难以达到预定精度。
为解决该问题在模块生产测试时针对每台模块本文对PGA的offseterror进行预测试并将每个通道预测试得出的offseterror值存入FLASH中,用来对以后的采样值进行修正。
3.3滤波器设置
       工频干扰(50Hz及60Hz电磁波)是工控测量系统中最常见的一-种干扰噪声对测量精度影响很大热电阻采样电路易受工频干扰和射频干扰的影响。为实现精确测量模块中必须加入抗干扰措施。
       本设计中利用ADS1248集成的数字滤波器(Pro-grammableDigitalFilter)对此类干扰进行抑制。数字滤波器放置于模数转换之后其作用是对采样值进行数字滤波处理从而达到滤除干扰噪声的目的。
       ADS1248中数字滤波器的滤波特性与采样速率有关。综合衡量多方面因素后本设计选取20S/s(每秒20次)的采样速率此时数字滤波特性如图5所示。通过该滤波器50Hz及60Hz工频干扰噪声均被衰减70dB以上。

4结束语
       本文充分利用高集成度、精度高ADC芯片ADS1248设计实现了一种精度高高灵活性热电阻温度采集模块。该温度采集模块根据配置不同,既可以接入8路三线制热电阻，,也可以接入4路四线制热电阻方便了用户。同时该温度采集模块可实现0.1%的采集精度具有很高的工业应用价值。