多通道熱電阻精密測量中溫度漂移的補償法

發布時間:2020-09-21     瀏覽次數:
摘要:針對溫度測量過程中的多通道熱電阻溫度漂移問題,分別從溫度傳感器的選取、測量方案的設計、實際測量電路和濾波算法4個方麵給出了具體的解決方案。詳細闡述了後級兩級AD623信號放大及調理電路和AD轉換電路的設計方案,並給出了它與微控製器的應用接口電路。實際應用表明,該方案滿足分辨率為±0.1℃、準確度為±0.2℃的設計要求。
       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,防雷、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進行溫度漂移的補償。
       某多點溫度測量係統對測量數據的精度要求較高,這就對係統中測量溫度的補償校正提出了較高的要求。筆者分別從溫度傳感器的選取、測量方案的設計、實際測量電路和濾波算法4個方麵,實現了較高精確度的溫度補償,滿足了係統對測量數據的要求。
1溫度傳感器的選取
       由於鉑在高溫和氧化性介質中的化學、物理性能穩定,而且鉑電阻的輸入-輸出特性接近線性,用鉑電阻製成的溫度計計量精度高,所以本係統選用Pt100鉑電阻溫度傳感器,其電阻值與溫度之間的關係如下:
a.在0~+850℃範圍:RT=R0(+At+Bt2);
b.在-200~0℃範圍:RT=R0[1+At+Bt2+C(t-100)t³]。
上述關係中,R0=100Ω0℃時的電阻值),A=3.90802×10-3,B=-5.802×10-7,C=-4.27350x10-12。
2基於自校正及四線接線的測溫方法
       本係統中,溫度監測點有6個、測量範圍為-50~+50℃、分辨率為±0.1℃、準確度為±0.2C,並且每個監測點與溫度采集主板由幾十米的導線連接,因此導線的電阻對溫度測量的影響不可忽視。筆者提出如圖1所示的基於自校正思想設計的測溫法和四線製接線法的電阻測量電路解決了這個問題。四線製接線法的電阻測量電路原理是電流源走兩條線圖1的①、②號線),回饋的電壓信號走兩條線圖1的③、④號線),由於電壓回饋線不流電流,因此外接引線沒有壓降,輸入的電壓信號隻是熱電阻兩端的電壓,這樣就消除了引線電阻造成的影響。
       圖1中的3個電阻上的電壓分別為uil=IsR、ui2=IsR2、uir=IsRT其中Is為恒流源電流,在一段時間內可認為是一恒定值)。設放大調理電路的電壓放大倍數為Ke,總的零點偏置(含漂移)為Dr。Ke、Df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後的輸出分別為

基於四線製接線法和自校正設計的電阻測量電路圖示
       同理,將上述結論擴展到A/D轉換後的輸出。在短時間秒級)內A/D轉換對V01、V02和V0T的影響基本相同,所以轉換後的結果不會改變三者的相對關係。設V01、V02和V0T經A/D轉換後的輸出分別為D1、D2和DT,則有:

       由此可見,鉑電阻值RT隻與A/D轉換後的相對值有關,漂移對測量的影響被抵消了。本測量方法同樣可以克服長引線電阻帶來的誤差。此方法對整個電路的漂移都具有實時的自校正功.能0.2。並且由於電路中采用了“四線製”接線法,克服了長引線電阻帶來的誤差。
3信號放大及調理電路
       多通道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中的關鍵技術,直接關係到多點溫度測量係統的測量精度。將前端采集到的溫度信號經過多路模擬開關傳送到信號放大及調理電路進行放大,其電路如圖2所示(兩級AD623均采用雙極性+5、-5V供電)。

       AD623的增益G由1腳和8腳之間的阻抗來決定,其計算式為:

       由式6)可得,信號經過第1級AD623後電壓輸出信號放大了11倍。為了防止信號超過AD7715的量程(-0.03~2.5V),特設計第2級AD623進行信號調理。第1級AD623的輸出端接到第2級AD623的正輸入端。AD623是2.5V精密帶隙基準電壓源,其輸出端為精密+2.5V電壓,通過可調電阻RP2接第2級AD623的負輸入端。第2級放大倍數可以通過調節電阻RP3調節,從而使得第2級AD623的輸出量程AD7715的輸入信號範圍)控製在0~2.5V,保證後端AD7715滿量程工作,模數轉換數據更為精準。
       在實際測試過程中發現第1級AD623放大電路輸出信號穩定,但第2級AD623放大電路輸出電壓值不穩定,漂移幅度在幾十個毫伏以內。通過實驗證明,第2級AD623放大電路輸出不穩定的原因是AD623這個器件本身的特性引起的,即AD623對共模信號的抑製能力差。第1級AD623的共模輸入電壓小,但第2級AD623的共模輸入電壓較大,輸入不穩定是由AD623的共模信號輸入引起的。針對這個問題,用精密表測試第2級AD623的輸出,並調節精密電阻器RP2,直到精密表顯示為0,這樣做的目的是對第2級AD623的共模信號進行補償。
       通過以下實驗驗證兩級放大電路的有效性目,在前端裝設3個阻值分別為100、110、1200,精度為+0.02%,溫度係數為±2×10-6。的精密電阻,接通電源給係統上電,通過測量第2級放大輸出,標準110Ω電阻的采樣值為標準100Ω和標準1200電阻采樣值的均值,此時熱電阻信號通過兩級AD623放大電路得到合理、精確的放大。
4.A/D轉換電路
      經過信號放大和調理電路的溫度采集模擬信號需經A/D轉換器轉換為數字信號。而單片機係統中A/D轉換器的轉換誤差較大,這是由於A/D轉換器的量化、偏置、增益和非線性誤差導致的,因此A/D轉換器的選取非常重要。由於AD7715具有程控放大器和較強的幹擾抑製能力及較高的性能價格等優點,所以筆者選取AD7715用於配接熱電阻的溫度變送器的信號測量,AD7715與P89LPC935單片機的接口電路如圖3所示。

       此外,還要注意A/D轉換與多通道開關時間上的配合,由於數字濾波器具有存儲以前輸入的功能,在8路信號分時段采樣中,從一個模擬通道輸入到下一個模擬通道輸入之間應調用延時函數延時幾微秒印,等待信號穩定下來。
5濾波算法
       本係統的性能要求很高,加上係統所處現場.幹擾源較多,環境比較惡劣,為了減少對采樣數據.的幹擾,提高係統的性能,需對采集數據進行校正,這樣可以使顯示溫度數據更接近實際值。本係統選用的軟件濾波方法是算術平均值濾波法,即對信號采集N次,並取N次測量的平均值作為某時刻的輸出目其數學表達式為:

6結束語
       筆者設計的多通道熱電阻精密測量中溫度漂移的補償新方法,已成功應用於大亞灣中微子探測器環境監控係統中,滿足分辨率為±0.1℃、準確度為±0.2℃的設計要求。係統投用以來工作穩定、可靠。