面向Pt100鉑電阻的高精度多路測溫系統(tǒng)*

徐莉振，鮑 敏

（浙江理工大學(xué) 機械與自動控制學(xué)院，浙江 杭州 310018）

0 引 言

Pt100溫度傳感器由于具有精度高、穩(wěn)定性好、可靠性強等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化測量和各種實驗儀器儀表領(lǐng)域中[1]。Pt100溫度傳感器測溫方法主要有3種：兩線制、三線制和四線制，由于PCB布線繁瑣程度以及價格等方面原因，在工業(yè)上研究者一般采用二線制或三線制鉑電阻測溫方案。常用的采樣電路有兩種：①橋式測溫電路；②恒流源式測溫電路。兩線制測量方法由于導(dǎo)線電阻帶來的附加誤差使得實際測量值偏高，一般使用于測量精度要求不高的場合[2]。一般的橋式測溫電路的優(yōu)點就是用3根導(dǎo)線將Pt傳感器和測量電路連接起來，Pt傳感器兩側(cè)相等的導(dǎo)線長度分別加在兩側(cè)的橋臂上，這樣做可以顯著減少導(dǎo)線電阻所引起的測量誤差[3-4]，但不能消除測量誤差。在Pt100多路測溫系統(tǒng)中，通常以增加模擬開關(guān)芯片來實現(xiàn)多路測溫：一種是在Pt100接入口處增加模擬開關(guān)，但同時也引進了模擬開關(guān)導(dǎo)通內(nèi)阻的誤差[5]；一種是在信號調(diào)理完成后加入模擬開關(guān)，模擬開關(guān)導(dǎo)通內(nèi)阻可忽略不計，但是信號調(diào)理電路重復(fù)，設(shè)計成本增加[6]。

本研究提出三線制雙恒流源式多路測溫方法，在未引進模擬開關(guān)內(nèi)阻誤差、克服常用測溫電路設(shè)計中鉑電阻Pt100引線導(dǎo)致的測量誤差以及未重復(fù)信號調(diào)理電路前提下，可保證系統(tǒng)在0～100℃的測溫范圍內(nèi)，測量誤差小于±0.1℃，為Pt100多路高精度測量提供很好的解決方案。

1 系統(tǒng)組成及測溫原理

多路溫度傳感器測溫系統(tǒng)主要由恒流源電路、模擬電子開關(guān)組、差分放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路組成，系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1 溫度采集系統(tǒng)電路框圖

當Atmega16選通一組模擬開關(guān)時，恒流源產(chǎn)生一個1 mA的電流，作用在Pt100鉑電阻溫度傳感器和100 Ω標準電阻（千分之一精度）上，使溫度信號轉(zhuǎn)換成壓差信號。產(chǎn)生的壓差信號為毫伏級的小信號，因此本研究通過差分放大電路對輸入的小信號進行100倍放大，最后通過16位A/D轉(zhuǎn)換器把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號傳輸給微處理器進行處理。

雙恒流源測溫原理圖如圖2所示。輸出電壓計算公式為：

式中：β—差分放大倍數(shù)。

當I1=I2=I，且r1=r2=r3時，Uo=β[I(RX-100)]，消除了引線電阻的影響。

圖2 雙恒流源測溫原理

2 硬件電路設(shè)計

2.1 恒流源電路設(shè)計

恒流源電路是該系統(tǒng)測溫電路的關(guān)鍵部分，其恒流的穩(wěn)定性以及輸出電流的大小對溫度檢測系統(tǒng)的準確度有很大的影響。對Pt100傳感器來說，為了減少鉑熱電阻自熱影響帶來的誤差，當水的溫度保持0℃時，其激勵電流應(yīng)保證耗散功率不大于0.1 mW[7]，即在Pt100傳感器電阻值為100 Ω時，流過Pt100的電流信號不大于1 mA，因此該系統(tǒng)中設(shè)計了一個能產(chǎn)生穩(wěn)定1 mA電流的恒流源。

雙恒流源電路如圖3左邊部分所示，其為實用的電壓-電流轉(zhuǎn)換電路[8]。

其中，輸出電壓為：

設(shè)R8=R10=R13=R14=100kΩ ，則：

輸出電流為：

圖3 溫度采集調(diào)理電路

因此，只要Uin和R9確定，就可以得到穩(wěn)定的小電流。

在該系統(tǒng)中，電壓基準采用低功率、低漂移的3 V精密電壓基準芯片REF3030。雙恒流源放大器采用Intersil公司的微功耗、零漂移、超低失調(diào)電壓、低噪的軌對軌4通道放大器ISL28433，且選R9為1%精度的3 kΩ歐精密電阻，其余8個電阻為大量同一批次的精密電阻中選出的阻值接近的8個電阻。在X，Y端可穩(wěn)定輸出1 mA的穩(wěn)定電流。本研究通過實測得到雙恒流源之間的一致性保持在千分之一以內(nèi)。

2.2 模擬電子開關(guān)組電路設(shè)計

考慮到信號調(diào)理電路的復(fù)雜程度，以及多通道一致性，不宜采用多個信號調(diào)理電路，該系統(tǒng)采用了模擬電子開關(guān)組共用同一恒流源及放大電路的思路。模擬電子開關(guān)與4路Pt100的連接電路如圖3中間部分所示。

該系統(tǒng)采用CD4052作為模擬電子開關(guān)，有較小的導(dǎo)通電阻（約為幾百歐），對恒流源以及后級放大電路影響可忽略不計。如圖3所示，A、B、EN口分別接到Atmega16單片機的3個I/O口。

當X0、Y0通道導(dǎo)通時，雙恒流源電流分別通過100 Ω標準電阻流入地以及Pt100流入地。從而產(chǎn)生Pt100溫度傳感器和標準電阻之間的壓差，再通過后級差分放大電路進行信號處理。

2.3 差分放大電路設(shè)計

該系統(tǒng)的運算放大器為ISL28233，其采用斬波穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)技術(shù)，實現(xiàn)了非常低的輸入偏置電壓（8 μV）、溫度漂移電壓（0.05 μV/℃）和噪聲電壓，其靜態(tài)電流為17 μA，共模抑制比為125 dB，是一款高穩(wěn)定性、高可靠性的軌對軌運算放大器。差分放大電路如圖3右邊部分所示。

Xout，Yout端在Pt100測溫范圍0～100℃內(nèi)，最大輸入壓差為0～38.51 mV。差分放大電路可以對微弱的電壓信號進行調(diào)理放大100倍后得到0～3.851 V的電壓，再通過后半部起緩沖作用的電壓跟隨器[9]，經(jīng)阻容低通濾波器，作為反映當前溫度的電壓值，傳輸給后續(xù)的A/D轉(zhuǎn)換器進行處理。

2.4 A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計

A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換電路采用ADS8320模數(shù)轉(zhuǎn)換器，這是一款16位采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用串行SPI接口方式，其SINAD（信號-噪聲和失真比）為84 dB，則：

ENOB（有效位數(shù)）=（SINAD-1.76）/6.02

可以得出ENOB約等于14位，與數(shù)據(jù)手冊相符，可以滿足該系統(tǒng)精度要求。

A/D轉(zhuǎn)換電路的電壓基準采用REF3030同系列的低功率、低漂移的4.096 V精密電壓基準芯片REF3040。

A/D轉(zhuǎn)換電路如圖4所示。

圖4 A/D轉(zhuǎn)換電路

其中，ADS8320的567引腳接ATmega16的3個I/O口，通過I/O口模擬SPI時鐘信號，實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換器與主控芯片之間的SPI通信，完成壓差值的采集。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計

軟件系統(tǒng)設(shè)計中的主要程序流程圖如圖5所示。

圖5 程序流程圖

在該系統(tǒng)中進行的采集數(shù)值算法主要采用折半插入排序法[10]。

插入排序的基本設(shè)計思想是：在一個已經(jīng)排好序的記錄子集的基礎(chǔ)上，每一步都將下一個待排序的記錄有序插入已經(jīng)排好序的記錄子集的合適位置上，直到將所有待排序記錄全部插入為止。折半插入排序法對一般排序進行了優(yōu)化，可以減少一般插入排序過程中比較的次數(shù)，對于實時性要求較高的嵌入式系統(tǒng)，可以減少很長的程序運行時間。筆者在本研究中把總排序時間分散（分散到每一次循環(huán)中）為對某一個元素的插入排序，這樣處理后，在最后一次A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后的極短時間內(nèi)，就可以得到排序集合。再對序列中部的記錄集合求平均值，即可得到較準確的A/D轉(zhuǎn)換值。

4 誤差分析及實驗測試結(jié)果

4.1 測試系統(tǒng)精度要求

鉑電阻在0～100℃范圍測溫時，電阻-溫度關(guān)系式滿足下式：

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式中：Rt，R0—Pt100鉑電阻在溫度為t（℃）和0℃時的電阻值。

由式（5）可以推出：

要想使被測的Pt100鉑電阻的測量精度達到0.1℃，即取Δt=0.1代入式（6），可求得：ΔR≈ 0.0391。

即該系統(tǒng)測得的Pt100鉑電阻的阻值精度為0.039 1。則系統(tǒng)的最大相對誤差為γ=0.0391/100=3.91×10-4。

4.2 誤差來源及理論誤差計算

整個系統(tǒng)的誤差來源包括：恒流源模塊誤差γ1，Pt100鉑電阻引線誤差γ2，模擬電子開關(guān)組導(dǎo)通電阻誤差γ3，差分放大電路誤差γ4。

4.2.1 恒流源模塊誤差

恒流源模塊誤差主要來源于精密電壓基準芯片REF3030的誤差γ11、4通道放大器ISL28433的誤差γ12和精密電阻R9的誤差γ13。假設(shè)系統(tǒng)工作環(huán)境溫度變化ΔT=20℃，REF3030的溫漂為20 ppm/℃，可以算出γ11=20×10-6×20/3.0=1.33×10-4。

由于ISL28433輸入偏置電流為180 pA（最大值）、輸入失調(diào)電流為10 pA，則:

綜上，恒流源的誤差為：

4.2.2 Pt100鉑電阻引線誤差

該設(shè)計中的Pt100鉑電阻測溫采用雙恒流源三線制測量，其內(nèi)阻及接線情況如圖3右下角所示。其中Rn為引線線電阻，Rx為Pt100電阻。因為本研究采用差分放大電路，只要引線長度一致時，引入的引線誤差基本可以忽略不計，即γ2≈ 0。

4.2.3 模擬電子開關(guān)組導(dǎo)通電阻誤差

該系統(tǒng)中的模擬電子開關(guān)為CD4052，其導(dǎo)通時的電阻約為幾百歐，研究者可以把前級電子開關(guān)的導(dǎo)通電阻看作恒流源電路的負載電阻一部分，對恒流源電流大小無影響。而后級電子開關(guān)的導(dǎo)通電阻可以看作放大電路中運放的輸入阻抗的一部分，對于高輸入阻抗的運放芯片來說可忽略不計，因此兩部分的影響都很小，即γ3≈ 0。

4.2.4 差分放大電路誤差

差分放大電路的誤差主要決定因素來源為ISL28233的輸入失調(diào)電壓11 μV（最大值）和失調(diào)電壓漂移0.05 μV/℃（最大值）。假設(shè)系統(tǒng)工作環(huán)境溫度變化ΔT=20℃?？捎嬎愠觯?/p>

4.2.5 系統(tǒng)采集綜合誤差

由上述分析結(jié)合各部分誤差，則可計算出溫度采集系統(tǒng)的綜合誤差為：

由于計算出的系統(tǒng)誤差小于Pt100鉑電阻的最大相對誤差，該系統(tǒng)的測量精度在理論計算上滿足要求。

4.3 實驗測試結(jié)果

電路板實物如圖6所示。

圖6 電路板實物圖

實驗測試恒溫槽是寧波東南儀器有限公司生產(chǎn)的熱量計檢定專用恒溫槽，其溫度波動度為±0.01℃/30mi n，溫度均勻度為0.01℃。

溫度實測結(jié)果如表2所示。

由表2可知，測試溫度值與實際值之間的誤差值小于±0.1℃，滿足系統(tǒng)精度要求。

表2 溫度實測值

5 結(jié)束語

本研究設(shè)計的多路溫度采集系統(tǒng)在未引進模擬開關(guān)內(nèi)阻誤差以及無需增加多個調(diào)理電路的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了在0～100℃范圍內(nèi)的高精度測量，測量誤差小于±0.1℃。

另外，該系統(tǒng)在PCB板中間設(shè)有擴展插口，研究者可以在擴充CD4052模擬開關(guān)組前提下，實現(xiàn)Pt100鉑電阻的批量測溫，且可應(yīng)用于鉑電阻的配對系統(tǒng)中。

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