多通道熱電阻測量中溫度漂移的補償法

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(shè)計,、實際測量電路和濾波算法4個方面給出了具體的解決方案,。詳細闡述了后級兩級AD623信號放大及調(diào)理電路和AD轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計方案，并給出了它與微控制器的應(yīng)用接口電路,。實際應(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(biāo)準(zhǔn)電阻的特性,，防雷,、運算放大器的失調(diào)電壓、放大倍數(shù)和零點電壓的漂移,，A/D轉(zhuǎn)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(yīng)的措施進行溫度漂移的補償。
       某多點溫度測量系統(tǒng)對測量數(shù)據(jù)的精度要求較高,這就對系統(tǒng)中測量溫度的補償校正提出了較高的要求,。分別從溫度傳感器的選取、測量方案的設(shè)計,、實際測量電路和濾波算法4個方面,實現(xiàn)了較精度高的溫度補償,，滿足了系統(tǒng)對測量數(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計量精度高,，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溫方法
       本系統(tǒng)中，溫度監(jiān)測點有6個,、測量范圍為-50~+50℃,、分辨率為±0.1℃、精度為±0.2C,，并且每個監(jiān)測點與溫度采集主板由幾十米的導(dǎo)線連接，因此導(dǎo)線的電阻對溫度測量的影響不可忽視,。提出如圖1所示的基于自校正思想設(shè)計的測溫法和四線制接線法的電阻測量電路解決了這個問題,。四線制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),，由于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(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,，總的零點偏置(含漂移)為Dr。Ke,、Df雖有漂移但短時間內(nèi)仍可認(rèn)為其不變,，則3路電壓信號經(jīng)放大調(diào)理電路放大后的輸出分別為


       同理,，將上述結(jié)論擴展到A/D轉(zhuǎn)換后的輸出,。在短時間秒級)內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換對V01、V02和V0T的影響基本相同,，所以轉(zhuǎn)換后的結(jié)果不會改變?nèi)叩南鄬﹃P(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,，鉑電阻值RT只與A/D轉(zhuǎn)換后的相對值有關(guān)，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,。并且由于電路中采用了“四線制”接線法,，克服了長引線電阻帶來的誤差。
3信號放大及調(diào)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(guān)鍵技術(shù)，直接關(guān)系到多點溫度測量系統(tǒng)的測量精度,。將前端采集到的溫度信號經(jīng)過多路模擬開關(guān)傳送到信號放大及調(diào)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(jīng)過第1級AD623后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(shè)計第2級AD623進行信號調(diào)理,。第1級AD623的輸出端接到第2級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,，通過可調(diào)電阻RP2接第2級AD623的負輸入端。第2級放大倍數(shù)可以通過調(diào)節(jié)電阻RP3調(diào)節(jié),，從而使得第2級AD623的輸出量程AD7715的輸入信號范圍)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,。
       在實際測試過程中發(fā)現(xiàn)第1級AD623放大電路輸出信號穩(wěn)定,但第2級AD623放大電路輸出電壓值不穩(wěn)定，漂移幅度在幾十個毫伏以內(nèi),。通過實驗證明，第2級AD623放大電路輸出不穩(wěn)定的原因是AD623這個器件本身的特性引起的,，即AD623對共模信號的抑制能力差,。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(wěn)定是由AD623的共模信號輸入引起的。針對這個問題,，用表測試第2級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(shè)3個阻值分別為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,，通過測量第2級放大輸出,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，此時熱電阻信號通過兩級AD623放大電路得到合理,、正確的放大,。
4.A/D轉(zhuǎn)換電路
      經(jīng)過信號放大和調(diào)理電路的溫度采集模擬信號需經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,。而單片機系統(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的干擾抑制能力及較高的性能價格等優(yōu)點,，所以選取AD7715用于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(zhuǎn)換與多通道開關(guān)時間上的配合,，由于數(shù)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(yīng)調(diào)用延時函數(shù)延時幾微秒印,等待信號穩(wěn)定下來。
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.干擾源較多,環(huán)境比較惡劣,，為了減少對采樣數(shù)據(jù).的干擾,，提高系統(tǒng)的性能，需對采集數(shù)據(jù)進行校正,，這樣可以使顯示溫度數(shù)據(jù)更接近實際值,。本系統(tǒng)選用的軟件濾波方法是算術(shù)平均值濾波法,，即對信號采集N次，并取N次測量的平均值作為某時刻的輸出目其數(shù)學(xué)表達式為:

6結(jié)束語
       設(shè)計的多通道熱電阻測量中溫度漂移的補償新方法,，已成功應(yīng)用于大亞灣中微子探測器環(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)計要求,。系統(tǒng)投用以來工作穩(wěn)定,、可靠。