一種精度高熱電阻測(cè)溫電路及算法設(shè)計(jì)

　　針對(duì)熱電阻精度高測(cè)溫過程中存在的導(dǎo)線內(nèi)阻誤差，及使用線性擬合出的阻值溫度轉(zhuǎn)換公式存在溫度偏移問題,，提出硬件使用專用采樣芯片配合四線制熱電阻接線方式完全消除導(dǎo)線內(nèi)阻,，軟件采用二分查找及插值算法避免線性擬合帶來的溫度偏移的解決方案。在精度高溫度測(cè)量領(lǐng)域具有較高實(shí)用性,，能夠大大提高溫度測(cè)量精度,。
　　溫度是反應(yīng)物理冷熱程度的物理量，作為一種被控對(duì)象廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域,，無論是生物,、醫(yī)療、科研及其制造生產(chǎn)行業(yè)中均需要精度高的溫度測(cè)量,，不同類型產(chǎn)品的生產(chǎn)制造以及各種科學(xué)研究實(shí)驗(yàn)對(duì)于工作環(huán)境溫度測(cè)量精度要求越來越高,，研究如何實(shí)現(xiàn)溫度的精度高測(cè)量具有重大意義。從測(cè)量原理可以將溫度測(cè)量分為接觸式和非接觸式兩種,非接觸式測(cè)溫包括紅外測(cè)溫,、紫外測(cè)溫,、激光測(cè)溫及超聲測(cè)溫等，非接觸式測(cè)溫通過熱輻射實(shí)現(xiàn)測(cè)溫,，不需要接觸被測(cè)物體,，通常用于測(cè)量高溫物體，但是抗干擾能力差,、測(cè)量精度不高,。精度高溫度測(cè)量通常采取接觸式測(cè)量方式，例如膨脹式,、熱電阻,、熱電偶和PN結(jié)集成溫度傳感器，其中熱電阻具有反應(yīng)快,、測(cè)溫范圍廣,、精度高的特點(diǎn)并得到廣泛應(yīng)用。
　　常用熱電阻測(cè)溫電路有利用串聯(lián)精度高電阻分壓的方式,，經(jīng)過運(yùn)算放大和跟隨后采集,這種方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,、成本低,但是測(cè)量誤差較大;電橋法測(cè)電阻精度高，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜,需要大量計(jì)算;三線制恒流源法利用外部恒流源驅(qū)動(dòng)熱電阻, 經(jīng)過運(yùn)放調(diào)理電路后進(jìn)行采集，這種方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,，測(cè)量精度高,，但是無法避免熱電阻導(dǎo)線內(nèi)阻和恒流源波動(dòng)產(chǎn)生的影響;文獻(xiàn)采樣芯片使用外部參考電壓，可以消除電源波動(dòng)影響,，降低熱電阻導(dǎo)線內(nèi)阻影響,，但是當(dāng)導(dǎo)線內(nèi)阻阻值不同時(shí)，無法完全消除內(nèi)阻影響,?；趯Ｓ眯酒捎盟木€制熱電阻進(jìn)行溫度測(cè)量，在消除恒流源波動(dòng)影響的同時(shí),，可以完全消除熱電阻內(nèi)阻帶來的測(cè)量誤差,，進(jìn)一步提高測(cè)量精度。
　　所采用方案的具體測(cè)溫原理如下:通過AD7793專用熱電阻采集芯片內(nèi)部恒流源驅(qū)動(dòng)熱電阻形成電壓信號(hào),，利用差分通道采集該信號(hào),，并通過高速通信傳輸?shù)教幚砥鳎幚砥鲗㈦妷盒盘?hào)轉(zhuǎn)換成電阻值,。通常熱電阻經(jīng)過分度表建立阻值與溫度的關(guān)系，熱電阻具有不連續(xù)性,，提出了線性擬合的方案,，該方案擬合出的溫度曲線低溫段較為準(zhǔn)確，隨溫度升高誤差會(huì)逐漸增加,，為獲得準(zhǔn)確的阻值溫度轉(zhuǎn)換結(jié)果,，采用二分查表法，并利用插值算法獲得精度高溫度測(cè)量,。對(duì)于精度較高的熱電阻,，二分法比較次數(shù)較多，因此首先采用線性法快速定位,，在此基礎(chǔ)上使用二分法以減少運(yùn)算量,。在實(shí)際應(yīng)用中，采樣通道通常含有大量噪聲,，需要在溫度轉(zhuǎn)換之前對(duì)AD芯片采樣回來的電壓信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波,根據(jù)噪聲的特點(diǎn),，采用均方根值數(shù)字濾波算法，仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了的有效性,。
電橋法
　　三線式Pt1000不平衡電橋如圖1, R1/R2/R3為固定電阻,，r1/r2/r3為熱電阻導(dǎo)線內(nèi)阻，Rt為熱電阻,，Vr為導(dǎo)線內(nèi)阻電壓,，V為電橋電源，V0為理想狀態(tài)下電橋電壓，V0r為內(nèi)阻存在時(shí)橋電壓,。
 
　　假設(shè)系統(tǒng)為理想狀態(tài),，內(nèi)阻r1=r2=r3=O,電阻不存在容差時(shí)，此時(shí)相對(duì)誤差
 
　　上式表明,，由于R1-R2與Rt-R3可能為正也可能為負(fù),，因此相對(duì)誤差也存在正負(fù)可能，其中引線內(nèi)阻也會(huì)影響最終的測(cè)量值,?；菟雇姌蚍y(cè)電阻量程大，但是算法復(fù)雜,，計(jì)算過程中需要做近似處理,，會(huì)導(dǎo)致測(cè)量精度降低。.
恒流源法
　　恒流源法測(cè)電阻原理是利用一個(gè)恒流源通過熱電阻,，通過測(cè):量熱電阻兩側(cè)的電壓,，利用歐姆定律計(jì)算出對(duì)應(yīng)的熱電阻阻值。三線制鉑電阻接線如圖2所示,，其中I為流過熱電阻的電流源,，RL1、RL2,、RL3分別為三根導(dǎo)線內(nèi)阻,，Rt為熱電阻阻值，V為熱電阻測(cè)得的電壓,。
 
　　由上述表達(dá)式可知,，所測(cè)得的電壓中存在導(dǎo)線內(nèi)阻的系統(tǒng)誤差，恒流源電流越大,，誤差也就越大,，無法消除。文獻(xiàn)提出熱電阻引線電阻消除方法,，利用熱敏電阻測(cè)量專用芯片AD7792配合具體電路以消除引線電阻影響,，電路設(shè)計(jì)如圖3所示。
 
　　第一通道采樣電壓Ui1= (R+r)×I,，第二通道采樣電壓Ui2=(R+2r)×I,，同時(shí)啟動(dòng)采樣芯片的兩個(gè)通道進(jìn)行采樣，將采樣得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行如下公式計(jì)算:
 
　　由上述計(jì)算公式可以將熱電阻引線內(nèi)阻消除,，計(jì)算結(jié)果與熱電阻阻值為線性關(guān)系,。利用此方案測(cè)電阻時(shí)需要使用兩個(gè)通道進(jìn)行電壓采樣，而且兩通道必須同時(shí)采樣,，否則可能會(huì)由于電流源波動(dòng)而導(dǎo)致電壓變化,，測(cè)量結(jié)果會(huì)引入因電壓波動(dòng)產(chǎn)生的誤差,。另一點(diǎn)，將兩通道采樣電壓進(jìn)行減運(yùn)算消除導(dǎo)線內(nèi)阻影響的設(shè)計(jì)方案中,，將兩根導(dǎo)線內(nèi)阻做了近似相等處理,，這就要求兩根導(dǎo)線必須長度、材質(zhì)等參數(shù)必須完全相同,，實(shí)際應(yīng)用過程中很難做到兩根導(dǎo)線內(nèi)阻完全相等,，此方法可以很大程度降低熱電阻導(dǎo)線內(nèi)阻影響，但無法做到完全消除,。
硬件電路設(shè)計(jì)
四線制采樣電路
　　AD7793芯片內(nèi)置低噪聲,、帶有三個(gè)差分模擬輸入的24位Σ-△ADC型ADC,內(nèi)部集成了10μA、210μA及1mA激勵(lì)電流源和儀表放大器,，可以將源阻抗直接置于前端,，均方根(RMS) 噪聲最低為40nV。
芯片自帶基準(zhǔn)源,，同時(shí)支持外部基準(zhǔn)電壓,，設(shè)計(jì)采用外部基準(zhǔn)電壓，可以消除由于恒流源波動(dòng)導(dǎo)致參考電壓變化帶入的誤差,。采樣電路設(shè)計(jì)如圖4所示,。
圖4中I是由AD7793芯片內(nèi)部輸出的恒流源，大小為1mA,， RL1,、RL2、RL3,、RL4是Pt1000導(dǎo)線內(nèi)阻，Rt為Pt1000電阻,，Re為電阻阻值,。AD7793采用雙極性模式，則Pt1000測(cè)量結(jié)果為:
 
　　上式中,，Code 為AD讀取的采樣值,，N為AD芯片位數(shù),AIN為待測(cè)熱電阻電壓值，GAIN 為芯片增益值,，Vref是 外部基準(zhǔn)電壓,，即Re電阻的電壓值。AD采樣芯片外部參考電壓為4. 5V,，熱電阻兩側(cè)待測(cè)電壓最大值為4.21V,，即增益值GAIN設(shè)置為1。由Rt的表達(dá)式可以得出,，電流源波動(dòng)誤差通過使用外部基準(zhǔn)電壓設(shè)計(jì),，可以完全消除，同時(shí)也完全消除熱電阻導(dǎo)線內(nèi)阻影響，熱電阻阻值測(cè)量誤差最終只與電阻Re的精度和AD7793芯片性能有關(guān),。
電阻選型與設(shè)計(jì)
　　AD7793采樣到的信號(hào)需要送入FPGA中進(jìn)行濾波處理,，因此它的輸出更新速度不能過慢，AD793 的輸出更新速率與分辨率位數(shù)是反比關(guān)系,，需要兼顧更新速率與分辨率位數(shù),，取更新速率為33. 2Hz，此時(shí)分辨率位數(shù)為21位,。
　　芯片恒流源值分為三個(gè):10μA,、210μA， 1mA,。假設(shè)想要溫度測(cè)量精度達(dá)到0.01℃,，電阻分辨率需要達(dá)到0.0391Ω，即使用210μA恒流源電壓測(cè)量分辨精度達(dá)到0. 00821mV,，使用1mA恒流源式電壓分辨率達(dá)到0.0391mV,。由于芯片分辨率位21位，芯片滿量程電壓為5V,，電壓最小分辨率為: .
 
　　此時(shí)電壓最小分辨率均滿足要求,，而使用1mA恒流源電壓最小分辨率是使用210μA恒流源的4.761音，使用1mA恒流源測(cè)量精度會(huì)更高,，且抗干擾能力較強(qiáng)同時(shí)可以避免鉑電阻因流過本身電流而產(chǎn)生的熱效應(yīng),。Pt1000熱電阻在0℃~300℃是電阻變化范圍為1000Ω ~2120. 515Ω變化，其電壓變化范圍則為1V~2. 120515V變化,，使用兩個(gè)熱電阻串聯(lián),，電壓范圍則可達(dá)到2V~4.2103V。串聯(lián)熱電阻不僅擴(kuò)大了測(cè)量電壓范圍,，省去外圍運(yùn)放電路,，簡(jiǎn)化電路.結(jié)構(gòu)，減小因運(yùn)放自身產(chǎn)生的誤差,，同時(shí)最小電阻分辨率由0.0391Ω擴(kuò)大到0.0782Ω,，提高溫度測(cè)量精度并提高靠干擾能力。
　　由Rt最終計(jì)算公式可知,，通過降低Re本身誤差可以保證系統(tǒng)測(cè)量精度,。Rt 熱電阻電壓變化范圍為2V~4. 2103V,則AD芯片參考電壓設(shè)計(jì)為4.5V時(shí)滿足系統(tǒng)測(cè)量要求，即電阻Re的值確定為4.5kΩ,。將9個(gè)容差為0.01%,，溫溧為0.2ppm/℃的5000電阻串聯(lián)，可以有效地降低R,。誤差,，如圖5所示,。
 
軟件算法設(shè)計(jì)
均方值濾波算法
　　熱電阻兩側(cè)接入示波器，將采樣到的數(shù)據(jù)做快速傅里葉變換,，可以看出熱電阻噪聲主要來源于高斯白噪聲,。在物理學(xué)中常用均方根值(RMS) 來分析噪聲，反映物理量的有效值,，與常規(guī)平均濾波法相比均方根濾波具有更好的數(shù)據(jù)穩(wěn)定性,，是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)值穩(wěn)定性優(yōu)化算法，能夠有效地濾除電路中的白噪聲,。
 
　　即信號(hào)平方的均值再開方,，濾波前后波形仿真對(duì)比如圖6所示，可以看出,，濾波后的波形較為平穩(wěn),，濾波效果良好。
 
溫度轉(zhuǎn)換方法
　　熱電阻通過分度表建立阻值與溫度的關(guān)系,，擬合曲線法利用該分度表進(jìn)行連續(xù)的曲線擬合,，溫度轉(zhuǎn)換的運(yùn)算量較小，但在高溫度區(qū)域的精度下降較為明顯,。因此,，考慮采用二分查找加插值補(bǔ)償?shù)姆椒ㄔ谌珳囟确秶鷥?nèi)獲取較高的計(jì)算精度。由于精度較高的熱電阻數(shù)據(jù)量較大,，采用二分查表法比,，較次數(shù)較多，因此首先采用線性法快速定位,，之后使用二分查表與插值運(yùn)算法以減少運(yùn)算量,。
線性定位
　　由于熱電阻阻值隨溫度呈現(xiàn)近似一-次線性變化，因此在定位時(shí)可以采用一.次函數(shù)以簡(jiǎn)化運(yùn)算量,。一次函數(shù)的斜率和截距通過最大誤差法決定,，即首先計(jì)算每個(gè)溫度點(diǎn)的阻值誤差，并提取其最大值,，在不同的斜率和截距下進(jìn)行誤差最大值的比較，并選取誤差最大值最小的一組斜率和截距參與線性定位,。以Pt1000熱電阻為例,，其線性定位的一次函數(shù)表達(dá)式如下:
 
二分查找
　　二分查找也叫折半查找，相較于普通查表,，效率更為高效,，它要求處理器帶有存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，用于存放查找表,，二分查找要求數(shù)組采用順序存儲(chǔ)結(jié)構(gòu),，表中元素有序排列,。對(duì)于精度高的熱電阻分度表，數(shù)據(jù)量較大,，若直接采用二分查找則運(yùn)算量也較大,，因此，在線性定位的基礎(chǔ)上對(duì)最大誤差留有適當(dāng)裕量以縮小二分查找的范圍,，降低運(yùn)算量,。對(duì)于Pt1000熱電阻，最大誤差留有適當(dāng)裕量后取±4℃;傳統(tǒng)二分法區(qū)間包含3000個(gè)數(shù)據(jù),，需循環(huán)11~12次,，而線性定位縮小范圍后，僅包含80個(gè)數(shù)據(jù),，需循環(huán)6~7次,，因此,可有效減少循環(huán)次數(shù)，降低運(yùn)算量,。
插值算法
　　線性插值算法是利用已知數(shù)據(jù)去預(yù)測(cè)未知數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)處理方法,，以距離為權(quán)重的一-種插值算法，根據(jù)插值點(diǎn)左右臨近的兩個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性估算,，插值點(diǎn)數(shù)值大小取決于距離到臨近兩點(diǎn)的距離,。
Rt為測(cè)量熱電阻阻值，Rt0. Rt1為Rt在查找表內(nèi)相鄰的兩個(gè)熱電阻阻值,，t0,、 t1為查找表中Rt0. Rt1對(duì)應(yīng)的溫度:
 
　　利用測(cè)得的熱電阻阻值Rt與查找表中相鄰阻值Rto、Rt1的距離作為權(quán)重,，相鄰阻值對(duì)應(yīng)的溫度t0,、t1 作為加權(quán)，計(jì)算出最終測(cè)量溫度值,。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析.
　　為了驗(yàn)證測(cè)量精度是否改善,，將Pt1000熱電阻放置恒溫箱中一段時(shí)間，待溫度穩(wěn)定后,，將測(cè)量溫度與恒溫箱設(shè)定溫度進(jìn)行對(duì)比,。測(cè)量不同溫度，測(cè)量結(jié)果如表1,。表中tset為恒溫箱設(shè)定溫度,，t為測(cè)得的溫度，△t為誤差值,。
 
　　由測(cè)量的結(jié)果可以看出絕對(duì)誤差控制在0.01℃內(nèi),，設(shè)計(jì)達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)，改善了熱電阻測(cè)溫精度不高,，范圍窄等問題,。
 
結(jié)語
　　通過對(duì)電阻測(cè)量方案的分析,，確定了采樣電路設(shè)計(jì)思路，利用外部電壓參考源及兩個(gè)四線制熱電阻串聯(lián),，它不僅能夠提高測(cè)溫精度,，還能夠省去運(yùn)放及跟隨電路，大大簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì),。軟件.上,，通過二分查表線性插值算法以及數(shù)字濾波，避免了由線性擬合帶入的系統(tǒng)誤差,。經(jīng)實(shí)測(cè),，該測(cè)溫誤差不高于0.01℃，能夠滿足設(shè)計(jì)要求,。