基于鉑電阻和熱電偶的測溫系統(tǒng)

摘要:介紹了一種基于鉑電阻和熱電偶的測溫系統(tǒng)，詳細(xì)分析了其測量原理及測量誤差。該系統(tǒng)采用AD7792作為采集芯片，能夠通過利用多種鉑電阻和多種熱電偶實現(xiàn)對溫度測量，并將測量結(jié)果實時顯示在OLED.上。實驗結(jié)果表明該系統(tǒng)的測量精度高、通用性強、重復(fù)性好、操作方便。
　　在工業(yè)生產(chǎn)過程中，為了有效地進(jìn)行生產(chǎn)操作、發(fā)現(xiàn)安全隱患、避免安全事故等的發(fā)生，需要對有關(guān)參數(shù)如溫度、壓力、流量等進(jìn)行自動檢測。溫度是度量物體冷熱程度的物理量，在電廠的鍋爐爐溫控制和管路控制中溫度是必須要監(jiān)測的參數(shù)之一。
　　鉑電阻溫度傳感器，因其測量精度高、復(fù)現(xiàn)性好、穩(wěn)定性強等特點被廣泛使用，但鉑電阻的阻值和溫度之間的非線性特性給最后的溫度測量帶來了一定的誤差，難以達(dá)到較高的指標(biāo)要求;熱電偶的檢測靈敏度低，但其使用范圍寬。熱電偶及鉑熱電阻的檢測是一項辛苦的工作。不但檢測時間長，人員勞動強度大，而且原始數(shù)據(jù)量大，運算處理較繁雜，容易出錯。檢測工作的效率低。因此迫切需要一種自動化程度高，節(jié)省時間，精度高的檢測系統(tǒng)來解決這一問題。本文設(shè)計的基于鉑電阻和熱電偶的測溫系統(tǒng)由信號采集和顯示兩部分構(gòu)成，通過調(diào)節(jié)撥碼開關(guān)能夠?qū)崿F(xiàn)對鉑電阻PT100、PT1000以及K型熱電偶和J型熱電偶的溫度測量，將測量的溫度值實時顯示在OLED上,便于測試人員觀察。利用該系統(tǒng)對PT100和K型熱電偶的溫度進(jìn)行測量，得到了理想的實驗結(jié)果。
1系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)及工作原理
　　該測溫系統(tǒng)的硬件部分主要由AD7792采集電路、數(shù)字隔離電路、LM3S2608單片機、OLED顯示電路、AD5422信號傳輸電路、撥碼開關(guān)、按鍵和指示燈等組成，硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。
 
　　AD7792負(fù)責(zé)采集鉑電阻和熱電偶的數(shù)據(jù)，LM3S2608控制采樣頻率、響應(yīng)按鈕和撥碼開關(guān)的命令、將采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的測量溫度、控制OLED的顯示、傳輸4~20mA信號等。
　　AD7792具有兩個高精度的可編程恒流激勵源，內(nèi)置有可編程的儀表放大器，可以對不同的輸入信號.選擇相對應(yīng)的放大倍數(shù)，實現(xiàn)信號的匹配。它內(nèi)置16位ADC,采用SPI串行接口，容易實現(xiàn)光耦隔離，簡化了電路。此芯片具有低電源、低噪聲的特點，有三路差分模擬輸入，可以滿足設(shè)計要求叫。
　　AD7792測溫的原理如圖2所示，通道1使用兩線制測量熱電偶的溫度，通道2使用三線制測量鉑電阻的溫度。
 
1.1三線制鉑電阻溫度的測量
　　鉑電阻溫度的測:量原理如圖3所示。圖中J1連接待測的鉑電阻:I1和I2為兩個匹配的恒流源;RHI、RL2、RL3為三線制測量導(dǎo)線的電阻，它們理論上相等;Rref為精密參考電阻,在系統(tǒng)中使用以提供外部參考電壓。RL3和Rrer共同組成公共對地端。其中，AIN2+和AIN2-為鉑電阻差分測量的兩端，激勵源I1給AIN2+路提供電源，電流經(jīng)鉑電阻RRrD，測量導(dǎo)線R3，參考電阻Rref到地組成-一個測量回路;激勵源I2給AIN2-路提供電源，電流經(jīng)測量導(dǎo)線RL2，參考電阻Rreft到地組成一個測量回路。在兩個激勵源匹配且三條測量導(dǎo)線理論相等的情況下，AIN2+和AIN2-之間的差值即為鉑電阻的測量值。這樣理論上就消除了導(dǎo)線電阻對測量的影響。
　　測量AIN2+和AIN2-之間的信號，測量值通過AD7792內(nèi)部的放大器放大后經(jīng)過ADC得到數(shù)字信號，再通過SPI接口傳送給單片機。
　　對于16位ADC來說，其分辨率為1/65536,故其
 
　　即鉑電阻與參考電阻成正比，這就方便了測量結(jié)果的計算。根據(jù)測量的電阻值，對照鉑電阻電阻值與溫度值的對應(yīng)關(guān)系表就能計算出鉑電阻測試點的溫度。
1.2兩線制熱電偶溫度的測量.
　　將兩種不同材料(但符合一定要求)的導(dǎo)體或半導(dǎo)體的任意一端焊接在--起就構(gòu)成了熱電偶。組成熱電偶的導(dǎo)體或半導(dǎo)體稱為熱電極，被焊接的一端插入測溫場所，稱為工作端，另一端稱冷端。當(dāng)兩端溫度不同時就會有熱電勢產(chǎn)生，它是測量溫度的感溫元件，將溫度信號轉(zhuǎn)換為電信號再由儀表顯示出來。
　　熱電偶的測溫原理就是利用了熱電效應(yīng)。任意兩種材質(zhì)不同的金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體首尾連接成閉合回路，只要兩接點的溫度不同，就會產(chǎn)生熱電勢，形成熱電流，這就是熱電效應(yīng)。
　　熱電偶產(chǎn)生的熱電勢與熱電偶的材質(zhì)及冷熱兩接點的溫度有關(guān)，是兩接點溫度之差。將熱電偶的冷端放在室溫空氣中，工作端放入測溫場所，用AD7792測出熱電偶的熱電勢。
　　利用AD7792測量熱電勢的原理圖如圖4。J2為熱電偶接入端，利用AD7792內(nèi)部電壓源作為參考，采用雙極性方式測量熱電偶的熱電勢。
 
　　由于使用AD7792內(nèi)部參考電壓源，為1.17V,代入式(2-6),可得出熱電勢V。根據(jù)熱電偶的電勢與溫度對應(yīng)關(guān)系表計算出相應(yīng)的溫度即為熱電偶的工作端與冷端的溫度之差。同時利用鉑電阻測量室溫，即熱電偶冷端溫度，就可以得出熱電偶的工作端溫度。
1.2OLED的顯示
　　為了便于觀察測量點溫度，了解測溫方法(鉑電阻測量還是熱電偶測量以及鉑電阻和熱電偶的型號),系統(tǒng)中使用了128*96的OLED。這是一款全彩的OLED，內(nèi)部驅(qū)動芯片是SSD1339。其原理圖如圖5。
SCLK、SDIN和CS連接到單片機LM3S2608的SSI0接口，通過SPI的方式來驅(qū)動液晶，提高液晶顯示和刷新的速度。
 
2系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)及工作過程
2.1系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
　　如圖6所示，系統(tǒng)共有四個按鈕，分別實現(xiàn)零點校準(zhǔn)、滿量程校準(zhǔn)、報警溫度加減設(shè)置(長按為加，短按為減)、復(fù)位的功能。這些功能都由LM3S2608來實現(xiàn)。
 
　　通過調(diào)節(jié)撥碼開關(guān)可以實現(xiàn)對不同鉑電阻和熱電偶的溫度的測量，撥碼開關(guān)的設(shè)置與測溫方式的對應(yīng)關(guān)系如表1:
 
2.2系統(tǒng)工作過程
　　利用該系統(tǒng)進(jìn)行溫度測量，首先要根據(jù)測量的鉑電阻或熱電偶的類型來設(shè)置撥碼開關(guān)的位置(見表1),然后將鉑電阻和熱電偶分別連接到AD7792的通道2和通道1,如果只測鉑電阻的溫度，則通道1可以不連。硬件連接好后，給系統(tǒng)上電(工作電壓24V)，系統(tǒng)即可開始工作。
　　OLED左上角用紅色字體顯示設(shè)置的報警溫度，當(dāng)測量溫度超過該設(shè)置溫度時，紅色的報警指示燈閃爍。該溫度值可通過OLED下方的按鍵來設(shè)置，設(shè)置完成，該數(shù)據(jù)存入LM3S2608的FLASH;OLED中間黑色字體顯示的是測量點的溫度;最下方則顯示測溫的類型。
3測試結(jié)果與分析
　　表1中的六種測溫方式都已通過實驗驗證，挑選其中一種(0010測量K型熱電偶的溫度，利用PT100測熱電偶的冷端溫度)的實驗結(jié)果進(jìn)行分析。
3.1兩線制熱電偶溫度的測量
　　將撥碼開關(guān)撥到0010的位置，將K型熱電偶和PT100分別連接到AD7792的通道1和通道2.K型熱電偶一端放在干體爐中,另一端裸露在空氣中，PT100懸置于空氣中。給測溫系統(tǒng)上電。
　　調(diào)節(jié)干體爐(具體為isotechjupiter650s型干體校驗爐)的爐膛溫度從50℃開始,每隔50℃遞增到250℃后，再每隔50℃遞減到50℃,每次等爐膛溫度達(dá)到設(shè)置值并穩(wěn)定后，讀取測溫系統(tǒng)的OLED.上顯示的測量溫度值。測試數(shù)據(jù)如表2:
 
　　分析表2的數(shù)據(jù)，可以看出我們測溫的結(jié)果比干體爐中標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻的測溫結(jié)果低0.4~0.5℃,這是由多方面的原因引起的，稍后會做詳細(xì)的分析，但是該系統(tǒng)的重復(fù)性很好。
3.2誤差分析
　　在這個測溫系統(tǒng)中，測量的溫度產(chǎn)生誤差的主要原因有以下幾種:
1)精密電阻不正確引入的誤差
 
　　當(dāng)環(huán)境溫度為0℃,采用PT100(此時電阻值為100Ω)，采用精密電阻值為5.11kΩ，精度為0.1%時，精密電阻引入的絕對誤差為100*0.1%=0.19。
2)兩個恒流源不匹配引入的誤差
　　當(dāng)輸出電壓為0時,，則誤差為:
　　當(dāng)條件同(1)時，恒流源不匹配引入的絕對誤差為:Ω。
3)PT100本身的誤差
　　理論上,PT100的阻值為1002時，它所處的環(huán)境溫度為0℃。實際上，不同廠家不同批次甚至是同一批次生產(chǎn)出來的PT100都有或多或少的差異，當(dāng)溫度為0℃時，其阻值不一定為100Ω。
4)干體爐本身誤差
　　如果只考慮精密電阻和恒流源造成的誤差，當(dāng)環(huán)境溫度為0℃時，采用PT100引入的絕對誤差為0.352,.對應(yīng)的溫度誤差為0.9C.我們設(shè)計的系統(tǒng)的誤差只有0.4~0.5℃,相對誤差低于1%,這說明該系統(tǒng)的測量精度是相當(dāng)高的。如果使用前將PT100進(jìn)行校準(zhǔn)將會進(jìn)一步減小系統(tǒng)的誤差。
4結(jié)論
　　本測量系統(tǒng)可實時采集鉑電阻和熱電偶信號，能夠?qū)崿F(xiàn)多種鉑電阻和多種熱電偶的溫度測量，并將測量結(jié)果與測量類型顯示在OLED.上,也可通過4-20mA進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸。實驗證明該系統(tǒng)的測量精度高、重復(fù)性好、通用性強，具有一定的實用價值。