一种高精度低自热多通道测温系统设计与实现*

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(哈尔滨工程大学 自动化学院，黑龙江 哈尔滨 150001)

0 引 言

提高测温精度、保证测温准确性和增加系统采样通道一直是高精度测温系统的主要研究方向。但在设计和实现过程中，各种外部和内部干扰源会降低测温系统的实际测量精度。如,惠更斯电桥虽能够反映出微弱信号变化，但惠更斯电桥存在较大的非线性误差[1];阻值比较法的线性度较好，但目前的基于阻值比较法的测温系统不能消除测温回路中的热电动势对测温精度的影响[2]，而且多采用分时采样的方式，这无法消除因激励电压或者AD参考源的波动而引入的误差[3]。

在某些特殊应用场合，测温电路设计不合理还将对测温环境产生负面影响。如,在小体积精密测温应用中，测温电路的自热效应将使得流经铂电阻器的工作电流产生较大的热量积累，进而导致测温环境的温升误差[4]。通过控制恒流源的工作时间[5]和利用脉冲电流代替测温电路的恒定电流[4]可有效减小自热效应，但如果恒流源和脉冲电流的工作周期选择不适当，将导致采样误差和降低测温频率，从而影响测温的准确性。

基于此，本文设计了一种高精度低自热多通道测温系统。该测温系统利用阻值比较法与差分放大电路提高测温精度；利用序列激励电压控制保证测温准确性，这对于高精度测温系统应用具有重要的实际意义。

1 总体方案设计

为满足测温系统同时兼顾高精度、低自热和多通道的优点，总体方案如图1所示。

图1 总体方案设计图

1)高精度测温单元：基于阻值比较法的测温电路，Pt 1 000测温信号经差分电路差分放大后送入AD模拟输入端，经A/D转换后送入处理器。

2)低自热控制单元：通过控制激励开关的通断产生激励测温回路的电压序列，减小自热效应。

3)多通道采样单元：差分输入下，利用AD7608的8路输入，可同时完成4通道温度采集，满足多通道测温需求。

4)主控与辅助电路单元：MSP430F149单片机具有丰富的片上外围资源，可满足多通道测温的需求；且具有封装小、超低功耗等优点。辅助电路单元包括液晶显示、串口发送和电源电路[6]。

2 测温电路参数设计

基于阻值比较法的测温电路如图2所示。

图2 测温电路原理图

由图2中，R1为铂电阻，R2为参考电阻，且已知阻值，R3，R4为分压电阻，R7，R8，R9，R10为导线电阻。UR1与UR2可直接测得，根据公式

可得

进而通过计算得到实际测量温度。

通常，当流经铂电阻器电流超过0.5 mA时，铂电阻器的自热效应会影响测量精度[5]。根据下列公式可得

(1)

根据元件实际选型可得，R3+R4=20 kΩ。已知差分放大器INA118电压输入阈值为4.2 V，则可令分压电阻R3=R4=10 kΩ，这既保证铂电阻器的自热效应不会影响测温精度，又保证差分输入不超过输入阈值。

由于导线上存在杂散电阻，导线电阻使得测量电压低于实际电压。要消除导线电阻的引入误差，可以采用差分输入方式。由图2所示，理想情况下，差分放大器INA118输出如式(2)、式(3)所示

(2)

(3)

(4)

因此，差分输入方式可以很好地消除导线电阻对测温精度的影响。

当测温回路的激励电压或者参考源存在波动时，AD量化误差必然存在，可同时采样UR1和UR2来消除量化误差。考虑到测温系统具有高精度和多输入通道的特点，选择具有8路输入的18位同步采样A/D转换器AD7608。AD7608内置的2.5 V恒压源通过内部电路转换为4.5 V参考源。此时，AD7608的分辨力为

设铂电阻器工作在某温度下，当温度变化0.004 ℃时，铂电阻两端电压变化值为

5 V=0.003 303 5 mV.

为使AD7608能够分辨出0.008 ℃温度变化，则此时放大倍数G应满足下式

(5)

已知参考源为4.5 V，当环境温度为200 ℃时，对应铂电阻器阻值R1=1 758.56 Ω，则采样信号需满足下式

(6)

即G≤11.65。综上，10.39≤G≤11.65。由式(2)可得，4.69 kΩ≤R5≤5.32 kΩ。根据元件实际选型，R5=5.1 kΩ，此时G=10.8;同理，R6=5.1 kΩ。

根据以上计算可知，在-40～200 ℃测温范围内，高精度测温单元的测温精度最高可达0.004 ℃，该单元适用于大部分高精度测温场合。

3 序列电压激励回路设计

3.1 序列激励设计

铂电阻器的自热效应会对小体积或者密闭空间的测温产生负面影响，主要原因是自热引起的环境温升[4]。表1给出了不同激励周期下的铂电阻器发热量对比。

表1 不同激励周期下铂电阻发热量

由表1可知，工作1 h后，模式1发热量大于其他模式4倍以上；模式2、模式3和模式4的发热量随激励时间的延长而增加，当发热量累积到一定程度就会影响实际测温精度。因此，设计能产生激励电压序列的低自热控制单元来减小自热效应的影响。

如图2所示，低自热控制单元由A单元和B单元组成，低自热控制单元通过控制激励开关K产生激励电压序列。激励周期由稳定周期T1、采样周期T2和空激励周期T3组成。在测温速率一定的情况下，最大限度地提高T3占空比，可以有效减小铂电阻器自热效应。

设测温采样速率为fTM，则激励周期TTM=1/fTM。T1由激励开关的动作时间决定。设激励开关的动作时间为Ts，当T1≥10Ts时，可保证激励电压不会因激励开关抖动而波动。T2与AD采样周期和采样次数相关。设AD采样周期为tAD，采样总周期为TAD，程序执行时间为L，当采样N次时，TAD=NtAD+L。为保证采样稳定性，在开始阶段预留M个AD采样周期，则

TAD≥(N+M)tAD+L.

(7)

T3主要由测温速率和对外辐射热量决定。已知激励周期为TTM，则空激励周期T3=TTM-T1-T2。此时，可保证在T1,T2满足条件的前提下，T3占空比最大。

根据以上原则，已知测温速率为4 Hz，即TTM为250 ms。选择欧姆龙G6S系列继电器作为激励开关时，已知继电器的动作时间为4 ms，则T1=40 ms;已知AD7608采样速率为3.125 kHz，则rAD=0.32 ms;已知T1=40 ms，则可令M=0。在激励周期内采样100次数据做平均，则tAD=32 ms。调整主程序使得L=40 ms，由式(5)可知，T2≥72 ms，取T2=80 ms，即满足设计要求。已知TTM=250 ms，T1=40 ms，T2=80 ms，则T3=130 ms。因此，选择欧姆龙G6S系列继电器作为激励开关，按以上要求配置即可保证自热效应最小。

3.2 调向激励设计

铂电阻器和铜导线因材质不同，相互接触时会产生热电动势。例如：假设铂电阻器工作环境温度为30 ℃，铜导线两端存在2 ℃温差，根据GB/T 2903—1998附录A中表A2所列分度表[7]可知，此时热电动势为

EAB(30,29 ℃)=f(30 ℃)-f(29 ℃)=0.007 mV.

由图2所示，当温度变化0.004 ℃时，ΔRt=0.015 4 Ω，此时ΔUPt1000=0.003 3 mV，即热电动势影响测温精度。

为此，设计三点激励来实现调向激励设计。如图2所示，A点为正向激励，B点为空激励，C点为反向激励。设UE为实测R1两端电压，Ue为R1真实电压，U*为热电动势。因为热电动势与电流方向无关，则

当激励开关K在A时

UE=Ue+U*;

(8)

当激励开关K在C时

UE=Ue-U*.

(9)

式(8)和式(9)相加化简后得到

UE=Ue.

(10)

由式(10)可知，采样激励调向前后的电压信号，将采样值相加后再做平均即可消除热电动势。

综上所述，低自热控制单元通过控制G6S系列继电器来实现序列激励测温回路，从而减小自热效应；通过控制G6S系列继电器来实现调向激励，从而消除热电动势。激励周期由正激励周期Tf与反激励周期Tb构成,反激励子周期激励方向相反，与正激励子周期长度相同，作用一致。各激励周期时序如图3所示。

图3 激励周期时序图

4 多通道采样单元设计

AD7608具有8路输入，已知单路测温需要2个模拟输入端配合完成，则AD7608可同时进行4路测温。模拟输入端V1,V2,V3和V4由CONVST A控制，模拟输入端V5,V6,V7和V8由CONVST B控制，MCU通过同时控制CONVST A,CONVST B来实现同时采样8路输入信号。转换完毕后，数据通道DB0～DB15分2次将18位转换数据送出。AD7608的输出电平为可选择的3.3 ，5 V，因MSP430F149输出3.3 V COMS电平，通过配置23管脚使得AD7608输出3.3 V COMS电平，从而实现与单片机直连。

5 数字滤波补偿单元设计

测温电路噪声和铂电阻器的非线性是影响测温电路准确性的主要因素。对于测温电路噪声，考虑到温度是大惯性环节，可设计合适的低通滤波器予以消除，而分段线性拟合则是减小铂电阻器非线性的有效途径。

5.1 数字低通滤波器设计

设计巴特沃思低通滤波器滤除测温回路噪声。当设计指标选为：αP=3 dB，αS=40 dB，EP=0.02，数字滤波器为

H(z)=

采用高精度、低温漂固值电阻器(对应温度点36.077 5 ℃)做长时间温度测试，可以得到数字滤波器的实际滤波效果如图4所示。

图4 测温数据滤波效果图

由图4所示的滤波前后输出曲线可知，数字滤波器很好地滤除噪声，实际测温误差小于0.008 ℃，并且随着工作时间增长，滤波器平滑数据的效果更加明显。

5.2 非线性误差补偿算法

铂电阻器作为高精度温度敏感元件，其阻值与温度之间存在非线性，其计算公式

Rt=R0(1+At+Bt2),

(11)

式中A=3.908 3×103，B=-5.775×107，R0=1 000 Ω。根据式(11)计算可知，若忽略二次方项并在0～100 ℃进行线性拟合，因忽略二次项产生的最大误差为1.5 ℃。

分段线性拟合能减小非线性误差。在分段拟合过程中，分段数需根据测温精度要求确定，即非线性误差小于测温精度3倍以上。计算可知，在-40～200 ℃范围内，24等分和48等分条件下分段线性拟合的非线性误差分别为0.004，0.000 1 ℃，如图5所示。考虑到测温电路和元件的非线性影响，则采用48等分对铂电阻器进行非线性误差补偿。

图5 分段拟合非线性误差比对

6 实验测试

根据铂电阻分度表，在-40～200 ℃范围内选取-30,80,190 ℃附近的温差约为6 ℃的测试范围验证测温精度，并选用低温漂高精度的固值电阻器做长时间测试，截取部分温度误差数据如图6～图8所示。由图6～图8可知，高频噪声基本被滤除干净，实际测温精度能够达到±0.008 ℃，满足设计要求。

图6 -30 ℃附近的温度误差曲线

图7 80 ℃附近的温度误差曲线

图8 190 ℃附近的温度误差曲线

7 结 论

基于实测试验结果可知，高精度低自热多通道测温系

统的测温精度为±0.008 ℃，并且可以提高测温精度，消除热电动势对测温精度的影响，降低自热效应对测温准确度的影响，而且还可用于多路测温的场合。对于工业生产和军事领域中需要高精度多路测温的场合来说，高精度低自热多通道测温系统有着重要意义。

参考文献:

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