关于提高热电阻温度测量精度的设计方法

摘要:为了提高热电阻温度测量的精度,从温度传感器的选型、测量方案的设计、实际测量电路、硬件自校正、微处理器的选择、模拟信号预处理、滤波算法和软件非线性校正等方面给出了具体的设计方案。详细分析了自校正补偿及微信号采集转换电路的设计方案,设计了与DSPF2812的接口电路。实际应用表明,通过上述改进方案,热电阻温度测量精度可以达到10ppm的设计要求。
在日常工业生产和科学研究中,温度是非常重要的测量参数。随着科学技术的进步以及生产工艺的提高,对温度测量的要求越来越高。然而,温度测量是典型的小信号测量,影响其测量精度的因素很多,如温度传感器、恒流源和标准电阻的特性运算放大器的失调电压、放大倍数和零点电压的漂移、A/D转换器的误差接点热电势以及测量电阻的接线方式等。针对上述影响因素,在实际测量过程中需采取相应的措施提高温度测量的精度。
　　选用的微处理器是数字信号处理能力较强的TMS320F2812,其具有集成度高、电路设计简单、使用灵活、开发方便的特性。相比普通的微处理器,该DSP内部A/D模块具有高达16通道的数据采集能力,可进行精度高的A/D采样，具有有效减少干扰、增加采样分辨率、减小量化电平、实时动态效果佳等优点。
　　针对热电阻温度计实践中存在的或者可能存在的情况进行了分析,从测温系统的硬件设计、自校正温度补偿、预处理模块设计以及软件修正方面,实现了精度高温度补偿,提高了温度测量系统精度。
1测温系统的硬件设计
　　温度信号测量属于微信号采集的过程,以下从热电阻温度传感器的选型、四线制接线方法、测温系统的补偿设计等方面,对温度采集系统进行优化设计。尤其是针对电路漂移缓慢的特性,采用自校正设计方法:的信号比较法消除了漂移的影响。
1.1热电阻温度传感器的选型
　　热电阻是由-一个或多个感温电阻元件组成,带引线、保护管和接线端子的测温仪器。由于铂在高温和氧化介质中的化学、物理性能非常稳定,而且铂电阻的输人-输出特性接近线性,具有较好的复现性,用铂电阻制成的温度计精度高,所以选用高纯度的A级工业铂电阻温度传感器或者更高等级的铂电阻。铂电阻是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的。即在一定的温度下,先测量出铂电阻的电阻值R，然后得出等价的温度T,其电阻值与温度之间的经验关系如下1-21。

1.2四线制接法
　　针对精度高测温系统,应该考虑从感温元件接点到热电阻端子间引线的电阻值,为消除引线电阻带来的误差，,应采用如图1所示的四线制接线法。其中I+I-端是为了给热电阻提供恒定的电流,U+、U-是用来监测热电阻的电压变化。电流回路和电压测量回路独立分开,电压测量端测得电压和电流供给端的引线电阻可以抵消,可见这种引线方式可完全消除引线的电阻影响,提高了温度检测的精度。需要注意的是，I+I-电流值不宜选取过大,一般选用1mA测试电流，以减少热电阻的自热效应。
1.3转换开关及电流换向
　　任何转换开关都存在接触电势,接触电势对测量精度的影响视其性能好坏而定,--般工业级热电阻测温应采用不超过1μV接触电势的转换开关。当热电势值大小为1μV时，以0℃时的微分电势0.39Ω/℃计算,带来的影响为2.56mK;若热电势较大的转换开关，则按相应的比例得到其影响量。为了减小热电势带来的影响,除选用低热电势的转换开关，还可以考虑采用电流换向的方式供给电源,其测量原理如图2所示。假设E1为微小量热电势,E2为提供电流的电源，I正为如图2所示电势方向。由图可知

　　从而可以看出，微小电势E,被电流换向电路补偿,消除了热电势的影响。
2测温系统自校正温度补偿设计方案
　　由于环境温度对电阻和运放性能的影响,使得测量系统在环境温度变化较大时产生较大的误差,这就要求在精度高测量中,需要寻找可靠的温度补偿方法。本文方法是通过硬件电路补偿温漂影响,这种方法在各种传感器中都有应用,主要是在前置放大器电路中加入相关补偿电路,指导思想是通过信号比较法消除漂移的影响。硬件自校正电路如图3所示。总的零点偏置(含漂移)为Dƒ,Ke、Dƒ虽有漂移但短时间内仍可认为其不变,则3路电压信号经放大调理电路放大后的输出分别为

　　由此可见，铂电阻值R。只与A/D转换后的相对值有关,电阻漂移和运算放大器漂移对测量的影响被抵消了，此方法对整个电路的漂移都具有实时的自校正功能。由于电路中采用了“四线制”接线法,克服了引线电阻带来的误差,由以上两种方法得到了更加真实的电阻值。
3预处理电路模块的设计选择
3.1TMS320F2812微处理器的ADC模块
　　本系统微处理器采用TI公司的32位定点芯片TMS320F2812,外部采用低频时钟经过锁相环倍频后最高可在150MHz主频下工作,其ADC模块采用级联成一个16通道的顺序采样模式对数据进行采集、处.理。转换结束后采样的通道值就会被保存到相应的结果寄存器中。该模块单通道转换的最小的转换时间是80ns,因此，TMS320F2812的最大采样速率可达到12.5MHz,同时,其内部具有电压比较电平,可以确保电源漂移情况下数据采集的可靠性。
3.2预处理电路模块
　　热电阻信号属小信号测量,小信号测量是智能仪器仪表和测控技术的核心,直接关系到温度测量系统的精度等级。模拟信号的预处理模块将前端采集到的温度信号经过低电势多路转换开关传送到信号放大及调理电路进行放大，并将处理的信号最终送至DSP微处理器A/D转换端口,其电路如图4所示。

　　信号调理电路由两部分组成,分别有前半端的带有放大效果的电压跟随处理电路和后半端的电压放大电路。XA1端的电压增益由R,、R2的阻抗比值来决定,即

　　通过两级信号放大电路,根据测温范围和对应电压大小,来选择合适的放大率,使最终输出的信号能够达到DSP微处理器的A/D输人电压满量程范围(0~3V)。同时,为了防止外部串人干扰信号,造成信号放大电路超出微处理器满量程范围,可以在信号进入微处理器模数转换端口前添加齐纳二极管和电容,确保微处理器的安全。在某系统中证实采用了此电路其抗干扰能力较强,可在大温度变化条件下使用。
4软件处理
4.1数字滤波算法
　　精度高测温系统对性能要求很高，并且系统所处现场干扰源较多,为了减少对采样数据的干扰，提高系统的性能,有必要对采集数据进行处理,可使温度数据更接近真实情况。
通过对采样信号进行滤波处理可减小由于外界干扰或某些不可预知的因素带来的随机误差，模拟量在受到干扰后,经A/D转换后的结果偏离了真实值,可能会出现一些随机的误差,如果只采样--次,在高采样率情况下无法确定结果是否可信。必须通过多次采样得到一个A/D转换的数据序列,通过软件算法处理后才能得到-一个可信度较高的结果。这种方法就是数字滤波。数字滤波方法有多种,如中值滤波、算数平均滤波去极值平均滤波、加权平均滤波、滑动平均滤波。本文采用去极值平均滤波法。算法原理如下:对于温度信号对应的电压采样值,连续采样n次,将其累加求和,同时找出其中最大值和最小值,再从累加和中减去最大值和最小值按n-698个采样值求平均,即有效采样值。

4.2软件实现非线性校正方法
　　从式(1)和式(2)可以看出,铂电阻具有非线性特dR性。以0~800℃为例，可见该函数曲线dt2是一条单调_上凸曲线,如图6所示,即电阻温度存在一定的非线性关系。其实每只铂电阻温度计的电阻温度特性是不相同的，内插公式中的系数A、B、C和R针对每只铂电阻温度计应该不同,为了表达方便,将以上系数称为特征系数。所以对精确测温的铂电阻就要单独分度,实际应用中常用线性化方法有查表法、数学公式法、作图法,采用校准的方法对铂电阻进行多点测试,确定其测温特性,用式(1)和式(2)计算温度分度表从而提高铂电阻的测温精度(简称公式法)。铂电阻的测温范围越小、测试点越多,采用的拟合方法越好,其效果越好。软件上的改进,可以在未增加成本下很好地改善测量精度。

5测温实例
　　图7所示为去极值滤波处理前后的效果图，仅是从去极值滤波角度考虑,可以明显地看出采集的数据经处理后明显消除了脉冲干扰,有效地克服了随机噪声干扰,并且取得了稳定的高分辨率效果(图中因纵坐标表示的量值不同而未一致)。其他改进效果图就不在这里一一列出。

6结束语
　　从工程实际出发,在热电阻温度传感器的硬件设计和软件优化方面进行了改进,用于某精度高测温系统,测量精度可以达到10ppm,切实改善并提高了温;度测量系统,可作为温度计量标准使用。