多通道熱電阻測(cè)量中溫度漂移的補(bǔ)償法

摘要：針對(duì)溫度測(cè)量過(guò)程中的多通道熱電阻溫度漂移問(wèn)題,分別從溫度傳感器的選取、測(cè)量方案的設(shè)計(jì)、實(shí)際測(cè)量電路和濾波算法4個(gè)方面給出了具體的解決方案。詳細(xì)闡述了后級(jí)兩級(jí)AD623信號(hào)放大及調(diào)理電路和AD轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)方案，并給出了它與微控制器的應(yīng)用接口電路。實(shí)際應(yīng)用表明，該方案滿足分辨率為±0.1℃、精度為±0.2℃的設(shè)計(jì)要求。
       溫度測(cè)量是典型的小信號(hào)測(cè)量，影響其測(cè)量精度的因素很多，如溫度傳感器、恒流源和標(biāo)準(zhǔn)電阻的特性，防雷、運(yùn)算放大器的失調(diào)電壓、放大倍數(shù)和零點(diǎn)電壓的漂移，A/D轉(zhuǎn)換器的誤差等。針對(duì)上述影響因素，在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中需采取相應(yīng)的措施進(jìn)行溫度漂移的補(bǔ)償。
       某多點(diǎn)溫度測(cè)量系統(tǒng)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的精度要求較高,這就對(duì)系統(tǒng)中測(cè)量溫度的補(bǔ)償校正提出了較高的要求。分別從溫度傳感器的選取、測(cè)量方案的設(shè)計(jì)、實(shí)際測(cè)量電路和濾波算法4個(gè)方面,實(shí)現(xiàn)了較精度高的溫度補(bǔ)償，滿足了系統(tǒng)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的要求。
1溫度傳感器的選取
       由于鉑在高溫和氧化性介質(zhì)中的化學(xué)、物理性能穩(wěn)定，而且鉑電阻的輸入-輸出特性接近線性，用鉑電阻制成的溫度計(jì)計(jì)量精度高，所以本系統(tǒng)選用Pt100鉑電阻溫度傳感器，其電阻值與溫度之間的關(guān)系如下:
a.在0~+850℃范圍:R_T=R0(+At+Bt²);
b.在-200~0℃范圍:R_T=R0[1+At+Bt²+C(t-100)t³]。
上述關(guān)系中,R0=100Ω0℃時(shí)的電阻值),A=3.90802×10^-3,B=-5.802×10^-7，C=-4.27350x10-12。
2基于自校正及四線接線的測(cè)溫方法
       本系統(tǒng)中，溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)有6個(gè)、測(cè)量范圍為-50~+50℃、分辨率為±0.1℃、精度為±0.2C，并且每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)與溫度采集主板由幾十米的導(dǎo)線連接，因此導(dǎo)線的電阻對(duì)溫度測(cè)量的影響不可忽視。提出如圖1所示的基于自校正思想設(shè)計(jì)的測(cè)溫法和四線制接線法的電阻測(cè)量電路解決了這個(gè)問(wèn)題。四線制接線法的電阻測(cè)量電路原理是電流源走兩條線圖1的①、②號(hào)線)，回饋的電壓信號(hào)走兩條線圖1的③、④號(hào)線)，由于電壓回饋線不流電流，因此外接引線沒(méi)有壓降，輸入的電壓信號(hào)只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(gè)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(shí)間內(nèi)可認(rèn)為是一恒定值)。設(shè)放大調(diào)理電路的電壓放大倍數(shù)為Ke，總的零點(diǎn)偏置(含漂移)為Dr。Ke、Df雖有漂移但短時(shí)間內(nèi)仍可認(rèn)為其不變，則3路電壓信號(hào)經(jīng)放大調(diào)理電路放大后的輸出分別為


       同理，將上述結(jié)論擴(kuò)展到A/D轉(zhuǎn)換后的輸出。在短時(shí)間秒級(jí))內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換對(duì)V01、V02和V0T的影響基本相同，所以轉(zhuǎn)換后的結(jié)果不會(huì)改變?nèi)叩南鄬?duì)關(guān)系。設(shè)V01、V02和V0T經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后的輸出分別為D1、D2和DT，則有:

       由此可見(jiàn)，鉑電阻值RT只與A/D轉(zhuǎn)換后的相對(duì)值有關(guān)，漂移對(duì)測(cè)量的影響被抵消了。本測(cè)量方法同樣可以克服長(zhǎng)引線電阻帶來(lái)的誤差。此方法對(duì)整個(gè)電路的漂移都具有實(shí)時(shí)的自校正功.能0.2。并且由于電路中采用了“四線制”接線法，克服了長(zhǎng)引線電阻帶來(lái)的誤差。
3信號(hào)放大及調(diào)理電路
       多通道熱電阻信號(hào)屬小信號(hào)測(cè)量，小信號(hào)測(cè)量是智能儀器儀表和測(cè)控中的關(guān)鍵技術(shù)，直接關(guān)系到多點(diǎn)溫度測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量精度。將前端采集到的溫度信號(hào)經(jīng)過(guò)多路模擬開(kāi)關(guān)傳送到信號(hào)放大及調(diào)理電路進(jìn)行放大，其電路如圖2所示(兩級(jí)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(lái)決定,其計(jì)算式為:

       由式6)可得,信號(hào)經(jīng)過(guò)第1級(jí)AD623后電壓輸出信號(hào)放大了11倍。為了防止信號(hào)超過(guò)AD7715的量程(-0.03~2.5V)，特設(shè)計(jì)第2級(jí)AD623進(jìn)行信號(hào)調(diào)理。第1級(jí)AD623的輸出端接到第2級(jí)AD623的正輸入端。AD623是2.5V帶隙基準(zhǔn)電壓源，其輸出端為+2.5V電壓，通過(guò)可調(diào)電阻RP2接第2級(jí)AD623的負(fù)輸入端。第2級(jí)放大倍數(shù)可以通過(guò)調(diào)節(jié)電阻RP3調(diào)節(jié)，從而使得第2級(jí)AD623的輸出量程AD7715的輸入信號(hào)范圍)控制在0~2.5V，保證后端AD7715滿量程工作，模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)更為在正確。
       在實(shí)際測(cè)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)第1級(jí)AD623放大電路輸出信號(hào)穩(wěn)定,但第2級(jí)AD623放大電路輸出電壓值不穩(wěn)定，漂移幅度在幾十個(gè)毫伏以內(nèi)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，第2級(jí)AD623放大電路輸出不穩(wěn)定的原因是AD623這個(gè)器件本身的特性引起的，即AD623對(duì)共模信號(hào)的抑制能力差。第1級(jí)AD623的共模輸入電壓小，但第2級(jí)AD623的共模輸入電壓較大，輸入不穩(wěn)定是由AD623的共模信號(hào)輸入引起的。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，用表測(cè)試第2級(jí)AD623的輸出，并調(diào)節(jié)電阻器RP2，直到表顯示為0,這樣做的目的是對(duì)第2級(jí)AD623的共模信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償。
       通過(guò)以下實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證兩級(jí)放大電路的有效性目，在前端裝設(shè)3個(gè)阻值分別為100、110、1200，精度為+0.02%，溫度系數(shù)為±2×10^-6。的電阻，接通電源給系統(tǒng)上電，通過(guò)測(cè)量第2級(jí)放大輸出,標(biāo)準(zhǔn)110Ω電阻的采樣值為標(biāo)準(zhǔn)100Ω和標(biāo)準(zhǔn)1200電阻采樣值的均值，此時(shí)熱電阻信號(hào)通過(guò)兩級(jí)AD623放大電路得到合理、正確的放大。
4.A/D轉(zhuǎn)換電路
      經(jīng)過(guò)信號(hào)放大和調(diào)理電路的溫度采集模擬信號(hào)需經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。而單片機(jī)系統(tǒng)中A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換誤差較大，這是由于A/D轉(zhuǎn)換器的量化、偏置、增益和非線性誤差導(dǎo)致的，因此A/D轉(zhuǎn)換器的選取非常重要。由于AD7715具有程控放大器和較強(qiáng)的干擾抑制能力及較高的性能價(jià)格等優(yōu)點(diǎn)，所以選取AD7715用于配接熱電阻的溫度變送器的信號(hào)測(cè)量，AD7715與P89LPC935單片機(jī)的接口電路如圖3所示。

       此外，還要注意A/D轉(zhuǎn)換與多通道開(kāi)關(guān)時(shí)間上的配合，由于數(shù)字濾波器具有存儲(chǔ)以前輸入的功能，在8路信號(hào)分時(shí)段采樣中，從一個(gè)模擬通道輸入到下一個(gè)模擬通道輸入之間應(yīng)調(diào)用延時(shí)函數(shù)延時(shí)幾微秒印,等待信號(hào)穩(wěn)定下來(lái)。
5濾波算法
       本系統(tǒng)的性能要求很高，加上系統(tǒng)所處現(xiàn)場(chǎng).干擾源較多,環(huán)境比較惡劣，為了減少對(duì)采樣數(shù)據(jù).的干擾，提高系統(tǒng)的性能，需對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，這樣可以使顯示溫度數(shù)據(jù)更接近實(shí)際值。本系統(tǒng)選用的軟件濾波方法是算術(shù)平均值濾波法，即對(duì)信號(hào)采集N次，并取N次測(cè)量的平均值作為某時(shí)刻的輸出目其數(shù)學(xué)表達(dá)式為:

6結(jié)束語(yǔ)
       設(shè)計(jì)的多通道熱電阻測(cè)量中溫度漂移的補(bǔ)償新方法，已成功應(yīng)用于大亞灣中微子探測(cè)器環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)中，滿足分辨率為±0.1℃、精度為±0.2℃的設(shè)計(jì)要求。系統(tǒng)投用以來(lái)工作穩(wěn)定、可靠。