面向Pt100铂电阻的高精度多路测温系统*

2013-09-13 07:55:10徐莉振

机电工程 2013年1期

徐莉振，鲍敏

（浙江理工大学机械与自动控制学院，浙江杭州 310018）

0 引言

Pt100温度传感器由于具有精度高、稳定性好、可靠性强等优点，被广泛应用于工业自动化测量和各种实验仪器仪表领域中[1]。Pt100温度传感器测温方法主要有3种：两线制、三线制和四线制，由于PCB布线繁琐程度以及价格等方面原因，在工业上研究者一般采用二线制或三线制铂电阻测温方案。常用的采样电路有两种：①桥式测温电路；②恒流源式测温电路。两线制测量方法由于导线电阻带来的附加误差使得实际测量值偏高，一般使用于测量精度要求不高的场合[2]。一般的桥式测温电路的优点就是用3根导线将Pt传感器和测量电路连接起来，Pt传感器两侧相等的导线长度分别加在两侧的桥臂上，这样做可以显著减少导线电阻所引起的测量误差[3-4]，但不能消除测量误差。在Pt100多路测温系统中，通常以增加模拟开关芯片来实现多路测温：一种是在Pt100接入口处增加模拟开关，但同时也引进了模拟开关导通内阻的误差[5]；一种是在信号调理完成后加入模拟开关，模拟开关导通内阻可忽略不计，但是信号调理电路重复，设计成本增加[6]。

本研究提出三线制双恒流源式多路测温方法，在未引进模拟开关内阻误差、克服常用测温电路设计中铂电阻Pt100引线导致的测量误差以及未重复信号调理电路前提下，可保证系统在0～100℃的测温范围内，测量误差小于±0.1℃，为Pt100多路高精度测量提供很好的解决方案。

1 系统组成及测温原理

多路温度传感器测温系统主要由恒流源电路、模拟电子开关组、差分放大电路、A/D转换电路组成，系统组成框图如图1所示。

图1 温度采集系统电路框图

当Atmega16选通一组模拟开关时，恒流源产生一个1 mA的电流，作用在Pt100铂电阻温度传感器和100 Ω标准电阻（千分之一精度）上，使温度信号转换成压差信号。产生的压差信号为毫伏级的小信号，因此本研究通过差分放大电路对输入的小信号进行100倍放大，最后通过16位A/D转换器把模拟信号转换成数字信号传输给微处理器进行处理。

双恒流源测温原理图如图2所示。输出电压计算公式为：

式中：β—差分放大倍数。

当I1=I2=I，且r1=r2=r3时，Uo=β[I(RX-100)]，消除了引线电阻的影响。

图2 双恒流源测温原理

2 硬件电路设计

2.1 恒流源电路设计

恒流源电路是该系统测温电路的关键部分，其恒流的稳定性以及输出电流的大小对温度检测系统的准确度有很大的影响。对Pt100传感器来说，为了减少铂热电阻自热影响带来的误差，当水的温度保持0℃时，其激励电流应保证耗散功率不大于0.1 mW[7]，即在Pt100传感器电阻值为100 Ω时，流过Pt100的电流信号不大于1 mA，因此该系统中设计了一个能产生稳定1 mA电流的恒流源。

双恒流源电路如图3左边部分所示，其为实用的电压-电流转换电路[8]。

其中，输出电压为：

设R8=R10=R13=R14=100kΩ ，则：

输出电流为：

图3 温度采集调理电路

因此，只要Uin和R9确定，就可以得到稳定的小电流。

在该系统中，电压基准采用低功率、低漂移的3 V精密电压基准芯片REF3030。双恒流源放大器采用Intersil公司的微功耗、零漂移、超低失调电压、低噪的轨对轨4通道放大器ISL28433，且选R9为1%精度的3 kΩ欧精密电阻，其余8个电阻为大量同一批次的精密电阻中选出的阻值接近的8个电阻。在X，Y端可稳定输出1 mA的稳定电流。本研究通过实测得到双恒流源之间的一致性保持在千分之一以内。

2.2 模拟电子开关组电路设计

考虑到信号调理电路的复杂程度，以及多通道一致性，不宜采用多个信号调理电路，该系统采用了模拟电子开关组共用同一恒流源及放大电路的思路。模拟电子开关与4路Pt100的连接电路如图3中间部分所示。

该系统采用CD4052作为模拟电子开关，有较小的导通电阻（约为几百欧），对恒流源以及后级放大电路影响可忽略不计。如图3所示，A、B、EN口分别接到Atmega16单片机的3个I/O口。

当X0、Y0通道导通时，双恒流源电流分别通过100 Ω标准电阻流入地以及Pt100流入地。从而产生Pt100温度传感器和标准电阻之间的压差，再通过后级差分放大电路进行信号处理。

2.3 差分放大电路设计

该系统的运算放大器为ISL28233，其采用斩波稳定的结构技术，实现了非常低的输入偏置电压（8 μV）、温度漂移电压（0.05 μV/℃）和噪声电压，其静态电流为17 μA，共模抑制比为125 dB，是一款高稳定性、高可靠性的轨对轨运算放大器。差分放大电路如图3右边部分所示。

Xout，Yout端在Pt100测温范围0～100℃内，最大输入压差为0～38.51 mV。差分放大电路可以对微弱的电压信号进行调理放大100倍后得到0～3.851 V的电压，再通过后半部起缓冲作用的电压跟随器[9]，经阻容低通滤波器，作为反映当前温度的电压值，传输给后续的A/D转换器进行处理。

2.4 A/D模数转换电路设计

A/D模数转换电路采用ADS8320模数转换器，这是一款16位采样模数转换器采用串行SPI接口方式，其SINAD（信号-噪声和失真比）为84 dB，则：

ENOB（有效位数）=（SINAD-1.76）/6.02

可以得出ENOB约等于14位，与数据手册相符，可以满足该系统精度要求。

A/D转换电路的电压基准采用REF3030同系列的低功率、低漂移的4.096 V精密电压基准芯片REF3040。

A/D转换电路如图4所示。

图4 A/D转换电路

其中，ADS8320的567引脚接ATmega16的3个I/O口，通过I/O口模拟SPI时钟信号，实现A/D转换器与主控芯片之间的SPI通信，完成压差值的采集。

3 软件系统设计

软件系统设计中的主要程序流程图如图5所示。

图5 程序流程图

在该系统中进行的采集数值算法主要采用折半插入排序法[10]。

插入排序的基本设计思想是：在一个已经排好序的记录子集的基础上，每一步都将下一个待排序的记录有序插入已经排好序的记录子集的合适位置上，直到将所有待排序记录全部插入为止。折半插入排序法对一般排序进行了优化，可以减少一般插入排序过程中比较的次数，对于实时性要求较高的嵌入式系统，可以减少很长的程序运行时间。笔者在本研究中把总排序时间分散（分散到每一次循环中）为对某一个元素的插入排序，这样处理后，在最后一次A/D转换结束后的极短时间内，就可以得到排序集合。再对序列中部的记录集合求平均值，即可得到较准确的A/D转换值。

4 误差分析及实验测试结果

4.1 测试系统精度要求

铂电阻在0～100℃范围测温时，电阻-温度关系式满足下式：

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