一种基于热电阻的线性测量装置研制

摘要:对于用热电阻实现精度高、线性温度测量问题,给出了一种实用的测量装置。该装置由热电阻、AD590M、标准电阻、放大器、AD转换器、数据采集与处理系统、数码显示和串行输出端口等组成。装置采用信号比较的方法求出精度高的热电阻值,再根据热电阻值的大小查热电阻分度表求取对应的温度值,因此实现了真正意义上的线性化,大大减小了放大器温漂和非线性的影响，并且实现了热电阻全温度分度范围的温度测量。温度值由串口榆出和数码管显示，采用B等級热电阻时在-200~850℃范围内的测量误差约为±6℃.是一种价廉，实用的精度高的测温装置。
　　目前,在工业生产和科学研究的温度测量中热电阻是使用最广泛的测温仪表之一,测量范围大、性能稳定、安装使用方便是热电阻的主要特点,但热电阻输出与温度之间的非线性特性也给其应用于测量带来诸多不便,虽然采用了一些线性化方法,如用正反馈法改善非线性等日，但非线性依然比较严重。本文论述了一种基于热电阻的线性温度测量装置,该装置在单片机的控制下,先测出热电阻值R,再由R,的值查热电阻分度表得出温度值,因此，实现了真正意义上的线性化。另外,实现了热电阻全温度分度范围的温度测量，且可获得较高的测量精度。本装置采用Pt100热电阻,其测温范围为-200~850℃,当采用B等级热电阻时,在一200~.850C该装置的测量误差约为±6℃。
1测量原理
　　电阻测量原理见图1,U1,U2为多路模拟开关,I,R0,R1,A,AD分别为标准电流、被测电阻、标准电阻、放大器、AD转换器,U01,U02分别为标准校准电压信号和被测电压信号,设对应的AD采样值分别为S1,S2,U010和U02由电流源I流过电阻R:和R。获得,U1用于对放大器和采样通道校准。在单片机控制下,U1和U2的通道IN1导通时,有
U01=IR1
 
　　由式(4)、(5)可见,由于采用了与标准信号采样值比较的方法,且数据采集周期极短,使得被测电阻只与标准电阻R、标准校准信号的采样值S、被测信号的采样值S;有关，与电流源无关,大大减小了放大采样通道的放大倍数、零点漂移和非线性的影响,因此,提高了测量精度，实现了电阻值测量,测量精度主要取决于AD转换器的分辨率。
2.整机结构
　　整机原理结构，由信号处理单元、放大单元和数据采集及处理单元等组成见图2。使用环境温度在0~50℃。
 
2.1信号处理
　　信号处理单元由热电阻Rt.AD590M、标准电阻R1、多路模拟开关U1和U2等组成。图中r是热电阻引线等效电阻。标准电阻R1用锰铜丝绕制而成,性能稳定。AD590M用作标准电流源,其输出电流I经多路模拟开关U1分别由4个支路输出,在R:上形成标准校准电压信号Uo1、在热电阻R..上形成输人信号U02,在引线电阻2r上形成引线电阻补偿信号U03,在接地线上形成零点校正信号U04。为了提高测量精度,电路设计时让4个支路负载电阻尽量相同,热电阻采用三线制连接,3条引线敷设环境和长度相同,见图3。
 
2.2AD590的特性
　　AD590是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源，测温范围为-55~+150℃,其特性为输出电流I用微安表示时等于器件所处环境的热力学温度(开尔文)度数,工作电源电压范围为4~30V。AD590M精度最高,全测量范围最大绝对误差在25℃时校准后仅为±0.3C2,在0~50C最大误差为±0.1℃,也即±0.1μA,其特性和误差曲线见图4和图5。
 
　　因为数据采集周期极短,在-一个数据采集周期内可以认为环境温度是恒定的,即电流I是恒定的。实际测试表明,当AD590测试温度突变10℃时,测温装置有不到1℃的短暂波动,常温下的温度变化对测温装置的温度测量无影响。因此.本装置中采用AD590M做标准恒流源。
2.3放大单元
　　放大单元由运算放大器ICI-IC3等组成,见图2,因输入信号由AD590M输出电流I转换而成.因此要用高输入阻抗放大器。为了提高输入阻抗和减小零点漂移的影响,放大器的第1级是跟随器,第1级和第2的IC1,IC2选用斩波稳零式精度高运算放大器CL7650,第3级IC3选用OP07。Pt100热电阻的最大值为390.482,AD574采用10V输入方式，当环境温度为50℃时,AD590M输出电流为323.2μA,可得到放大器的放大倍数为K=10V/(390.48ΩX323.2μA)=79.237pμV/μV。实际测试表明放大倍数为800时性能仍然稳定。
2.4数据采集及处理
　　数据采集及处理单元由12位A/D转换器、单片计算机、数码显示和串口等组成.主要完成逻辑控制、数据采集、运算处理、分度表查询、报警、温度显示和温度数据串口输出等功能，见图2。逻辑控制和数据采集可由表I说明。设S3,S4分别为U03,U04的采样值，由式(5)可得热电阻和引线电限分别为
 
(13)式即是本装置计算热电阻的基本关系式。数据采集及处理系统在单片机控制下完成数据采集后，即按(13)式计算热电阻值，然后查分度表求出温度值输出和显示。式中R1-390.48Ω,温度值显示到小数点后1位.两温度点之间按线性内插计算参考温度。实际计算时S1,S2,S3先减去零点校正值S4后,再代入式(13)计算热电阻值。
 
3软件设计
　　系统软件主要完成多路模拟开关的逻辑控制、信号采集、热电阻计算.引线电阻补偿、由分度表查询温度值、温度点之间的参考温度计算、越限报警、温度值申行数据输山和温度显示等功能。主程序框图见图6。程序采用模块化结构,每一个功能为一个子程序。Pt100热电限分度表从一200℃到850℃共1051个温度点，每个温度点的热电阻值以10mΩ为单位，用16进制数存于2个字节中,共占2102个字节,分度表存放于系统程序之后,分度表相对地址除2即为对应的温度值。温度与热电阻之间的特性曲线见图7。
 
　　用最小二乘法求取温度与热电阻的线性拟合曲线并对斜率和截距进行调整，当斜率为2.823℃/Ω,截距为275.593时,其误差均匀分布,在±8.26Ω以内，见图8。最大误差时温度最大相当于±28.5℃.因此,在求得R.后,将R乘以2.823,得到的数据乘2作为查表的相对起始地址(即温度值),在该地址前后±29℃范围内采用比较法最后确定温度的准确值。当单片机主频为6MHz时,数据采集、运算、查表、输出、显示等的工作周期约为70ms.
 
4误差分析及测试结果
　　由式(13)可求出Rt的合成标准不确定度为回
 
　　S2是U02的采样值,取最大值为4096,S3是引线压降的采样值,其值很小可以忽略,R1=390.48Ω。uc(S1),uc(S2)、uc(S3)是AD574LD的标准不确定度,其值均为1/(2X4096X√3)。uc(R1)是R1的标准不确定度,R1的最大误差为0.005Ω,按正态分布,取置信概率为0.997,其值为uc(R1)=0.005/3Ω。将以上数据代人式(14),可得R,的合成标准不确定度uc(Rt)=0.033Ω,按正态分布,取置信概率为0.997,则R,的扩展合成标准不确定度为U=3uc(Rt)=0.10Ω[6,相当于0.34℃。由Rt查表求温度的误差是计算R,时的舍人误差,其值为0.005Ω,相当于0.02℃的误差。因此装置的总不确定度由以上2项决定,为0.39℃。不计热电阻本身误差时,实际测量误差在±1℃以内。表2是在给出等百度点上电阻值时的部分测量结果。
 
5结论
　　本装置将AD590M作为恒流源,采用与标准信号采样值比较的方法对热电阻的电阻值进行测量，大大减小了放大器、AD转换器温度漂移和非线性的影响,提高了信号测量精度，在得到热电阻数值后.采用查分度表的方法求取温度值,实现了真正意义上的线性化温度测最,并且,实现了全分度范围的温度测量。不计热电阻本身误差时,在-200~850℃该装置的测量误差为±1℃,采用B等级热电阻时,在-200~850℃该装置的测量误差约为±6℃,是一种价廉、实用的精度高测温装置。