基于铂电阻和热电偶的测温系统

摘要:介绍了一种基于铂电阻和热电偶的测温系统，详细分析了其测量原理及测量误差。该系统采用AD7792作为采集芯片，能够通过利用多种铂电阻和多种热电偶实现对温度测量，并将测量结果实时显示在OLED.上。实验结果表明该系统的测量精度高、通用性强、重复性好、操作方便。
　　在工业生产过程中，为了有效地进行生产操作、发现安全隐患、避免安全事故等的发生，需要对有关参数如温度、压力、流量等进行自动检测。温度是度量物体冷热程度的物理量，在电厂的锅炉炉温控制和管路控制中温度是必须要监测的参数之一。
　　铂电阻温度传感器，因其测量精度高、复现性好、稳定性强等特点被广泛使用，但铂电阻的阻值和温度之间的非线性特性给最后的温度测量带来了一定的误差，难以达到较高的指标要求;热电偶的检测灵敏度低，但其使用范围宽。热电偶及铂热电阻的检测是一项辛苦的工作。不但检测时间长，人员劳动强度大，而且原始数据量大，运算处理较繁杂，容易出错。检测工作的效率低。因此迫切需要一种自动化程度高，节省时间，精度高的检测系统来解决这一问题。本文设计的基于铂电阻和热电偶的测温系统由信号采集和显示两部分构成，通过调节拨码开关能够实现对铂电阻PT100、PT1000以及K型热电偶和J型热电偶的温度测量，将测量的温度值实时显示在OLED上,便于测试人员观察。利用该系统对PT100和K型热电偶的温度进行测量，得到了理想的实验结果。
1系统硬件结构及工作原理
　　该测温系统的硬件部分主要由AD7792采集电路、数字隔离电路、LM3S2608单片机、OLED显示电路、AD5422信号传输电路、拨码开关、按键和指示灯等组成，硬件结构如图1所示。
 
　　AD7792负责采集铂电阻和热电偶的数据，LM3S2608控制采样频率、响应按钮和拨码开关的命令、将采集的数据转换成对应的测量温度、控制OLED的显示、传输4~20mA信号等。
　　AD7792具有两个高精度的可编程恒流激励源，内置有可编程的仪表放大器，可以对不同的输入信号.选择相对应的放大倍数，实现信号的匹配。它内置16位ADC,采用SPI串行接口，容易实现光耦隔离，简化了电路。此芯片具有低电源、低噪声的特点，有三路差分模拟输入，可以满足设计要求叫。
　　AD7792测温的原理如图2所示，通道1使用两线制测量热电偶的温度，通道2使用三线制测量铂电阻的温度。
 
1.1三线制铂电阻温度的测量
　　铂电阻温度的测:量原理如图3所示。图中J1连接待测的铂电阻:I1和I2为两个匹配的恒流源;RHI、RL2、RL3为三线制测量导线的电阻，它们理论上相等;Rref为精密参考电阻,在系统中使用以提供外部参考电压。RL3和Rrer共同组成公共对地端。其中，AIN2+和AIN2-为铂电阻差分测量的两端，激励源I1给AIN2+路提供电源，电流经铂电阻RRrD，测量导线R3，参考电阻Rref到地组成-一个测量回路;激励源I2给AIN2-路提供电源，电流经测量导线RL2，参考电阻Rreft到地组成一个测量回路。在两个激励源匹配且三条测量导线理论相等的情况下，AIN2+和AIN2-之间的差值即为铂电阻的测量值。这样理论上就消除了导线电阻对测量的影响。
　　测量AIN2+和AIN2-之间的信号，测量值通过AD7792内部的放大器放大后经过ADC得到数字信号，再通过SPI接口传送给单片机。
　　对于16位ADC来说，其分辨率为1/65536,故其
 
　　即铂电阻与参考电阻成正比，这就方便了测量结果的计算。根据测量的电阻值，对照铂电阻电阻值与温度值的对应关系表就能计算出铂电阻测试点的温度。
1.2两线制热电偶温度的测量.
　　将两种不同材料(但符合一定要求)的导体或半导体的任意一端焊接在--起就构成了热电偶。组成热电偶的导体或半导体称为热电极，被焊接的一端插入测温场所，称为工作端，另一端称冷端。当两端温度不同时就会有热电势产生，它是测量温度的感温元件，将温度信号转换为电信号再由仪表显示出来。
　　热电偶的测温原理就是利用了热电效应。任意两种材质不同的金属导体或半导体首尾连接成闭合回路，只要两接点的温度不同，就会产生热电势，形成热电流，这就是热电效应。
　　热电偶产生的热电势与热电偶的材质及冷热两接点的温度有关，是两接点温度之差。将热电偶的冷端放在室温空气中，工作端放入测温场所，用AD7792测出热电偶的热电势。
　　利用AD7792测量热电势的原理图如图4。J2为热电偶接入端，利用AD7792内部电压源作为参考，采用双极性方式测量热电偶的热电势。
 
　　由于使用AD7792内部参考电压源，为1.17V,代入式(2-6),可得出热电势V。根据热电偶的电势与温度对应关系表计算出相应的温度即为热电偶的工作端与冷端的温度之差。同时利用铂电阻测量室温，即热电偶冷端温度，就可以得出热电偶的工作端温度。
1.2OLED的显示
　　为了便于观察测量点温度，了解测温方法(铂电阻测量还是热电偶测量以及铂电阻和热电偶的型号),系统中使用了128*96的OLED。这是一款全彩的OLED，内部驱动芯片是SSD1339。其原理图如图5。
SCLK、SDIN和CS连接到单片机LM3S2608的SSI0接口，通过SPI的方式来驱动液晶，提高液晶显示和刷新的速度。
 
2系统硬件结构及工作过程
2.1系统硬件结构
　　如图6所示，系统共有四个按钮，分别实现零点校准、满量程校准、报警温度加减设置(长按为加，短按为减)、复位的功能。这些功能都由LM3S2608来实现。
 
　　通过调节拨码开关可以实现对不同铂电阻和热电偶的温度的测量，拨码开关的设置与测温方式的对应关系如表1:
 
2.2系统工作过程
　　利用该系统进行温度测量，首先要根据测量的铂电阻或热电偶的类型来设置拨码开关的位置(见表1),然后将铂电阻和热电偶分别连接到AD7792的通道2和通道1,如果只测铂电阻的温度，则通道1可以不连。硬件连接好后，给系统上电(工作电压24V)，系统即可开始工作。
　　OLED左上角用红色字体显示设置的报警温度，当测量温度超过该设置温度时，红色的报警指示灯闪烁。该温度值可通过OLED下方的按键来设置，设置完成，该数据存入LM3S2608的FLASH;OLED中间黑色字体显示的是测量点的温度;最下方则显示测温的类型。
3测试结果与分析
　　表1中的六种测温方式都已通过实验验证，挑选其中一种(0010测量K型热电偶的温度，利用PT100测热电偶的冷端温度)的实验结果进行分析。
3.1两线制热电偶温度的测量
　　将拨码开关拨到0010的位置，将K型热电偶和PT100分别连接到AD7792的通道1和通道2.K型热电偶一端放在干体炉中,另一端裸露在空气中，PT100悬置于空气中。给测温系统上电。
　　调节干体炉(具体为isotechjupiter650s型干体校验炉)的炉膛温度从50℃开始,每隔50℃递增到250℃后，再每隔50℃递减到50℃,每次等炉膛温度达到设置值并稳定后，读取测温系统的OLED.上显示的测量温度值。测试数据如表2:
 
　　分析表2的数据，可以看出我们测温的结果比干体炉中标准铂电阻的测温结果低0.4~0.5℃,这是由多方面的原因引起的，稍后会做详细的分析，但是该系统的重复性很好。
3.2误差分析
　　在这个测温系统中，测量的温度产生误差的主要原因有以下几种:
1)精密电阻不正确引入的误差
 
　　当环境温度为0℃,采用PT100(此时电阻值为100Ω)，采用精密电阻值为5.11kΩ，精度为0.1%时，精密电阻引入的绝对误差为100*0.1%=0.19。
2)两个恒流源不匹配引入的误差
　　当输出电压为0时,，则误差为:
　　当条件同(1)时，恒流源不匹配引入的绝对误差为:Ω。
3)PT100本身的误差
　　理论上,PT100的阻值为1002时，它所处的环境温度为0℃。实际上，不同厂家不同批次甚至是同一批次生产出来的PT100都有或多或少的差异，当温度为0℃时，其阻值不一定为100Ω。
4)干体炉本身误差
　　如果只考虑精密电阻和恒流源造成的误差，当环境温度为0℃时，采用PT100引入的绝对误差为0.352,.对应的温度误差为0.9C.我们设计的系统的误差只有0.4~0.5℃,相对误差低于1%,这说明该系统的测量精度是相当高的。如果使用前将PT100进行校准将会进一步减小系统的误差。
4结论
　　本测量系统可实时采集铂电阻和热电偶信号，能够实现多种铂电阻和多种热电偶的温度测量，并将测量结果与测量类型显示在OLED.上,也可通过4-20mA进行远程传输。实验证明该系统的测量精度高、重复性好、通用性强，具有一定的实用价值。