多通道高准确度温度监测系统的研究

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环境试验设备、高温箱、高温炉温度参数的检定与校准，医药温度验证工作以及各种产品温度变化试验均需使用多通道、高准确度及稳定性的温度测量标准装置。

本文提出-种多通道、高准确度的温度监测系统，-台温度数据采集器最多可同时连接 18通道四线制铂电阻或17通道热电偶，测量准确度高、稳定性好，可应用于几乎所有与温度相关参数的计量器具或仪器设备的现踌定或校准，多台叠加即可实现通道扩展。特别对装置的抗干扰能力进行了深入的研究，使得系统在恶劣的高温环境下也能正常运行。

1 铂电阻与热电偶的测温原理1.1 铂电阻测温原理铂电阻传感器是利用金属铂(Pt)的电阻值随温度变化而变化的物理特性而制成的温度传感器。由于金属铂在氧化性介质和高温中有较好的物理和化学稳定性，因此，利用铂制作的铂电阻温度传感器具有较高的测量准确度。按照 IEC751国际标准，现在常用的 Ptl00其温度电阻特性是：当-200C

系统在测量(-100-300)℃的温度时，使用四线制铂电阻温度传感器，消除引线电阻的影响的同时还消除了连线导线间接接触电阻及其阻值变化的影响，全量程测量准确度为 ±0.1cC。

1.2 热电偶测温原理热电偶是温度测量中常用的测温元件，其测温的基本原理是两种不同成份的材质导体组成闭合回路，当两端存在温度梯度时，回路中就会产生热电势，这就是热电效应，也称作塞贝克效应(Seebeck efect)”。

系统在测量(300～160o)qC的温度时，通常使用 K型或 s型热电偶。由于系统使用第 18通道四线制铂电阻测温作为冷端温度，且为热电偶接线端设计了-个相对密闭的空间，减少接线端子区域与外界以及其他电路之问的热交换，使得冷端温度的相对稳定，从而确保热电偶的测温准确度为±0.05%F.S。

2 系统的电路设计图 1 系统结构图如图 1所示，系统可以通过 RS-232或 USB端 口与笔记本电脑连接，也可以使用无线蓝牙或其他通讯方式和智能手机(或掌上电脑)连接。随着智能手机的普及，使用智能手机作为数据显示、记录、处理将变得越来越方便。

数据采集器还可以根据检测实际需求进行堆栈式叠加支持N18个通道，满足需要几十通道的现踌测要求。

2.1 设计方案基金项目：国家质检总局科技计划项目《温湿度试验设备自动检定系统的研制》。项目编号：2008QK145《计量与测试技术)2013年第4o巷第3期系统的精度和分辨率主要撒于传感器及 A/D芯片的分辨率和线路噪声的滤除。系统由四部分组成，如图2：第-是热电偶或铂电阻温度传感器和 MOS型多路转换开关；第二是选用高分辨率 A/D组成数据采集电路，其中A/D转换电路的作用是将热电偶产生的热电动势以及热电阻经过的电阻/电压变换线路后产生的电动势转换为数字信号；第三部分是采集第 18通道 PT100数据作为热电偶测温的冷端温度，并计算出补偿电压；第四部分是选用低功耗 MCU和 RS-232、USB转串口及无线蓝牙通讯(Bluetooth)线路组成的控制和通讯线路电路。

为了达到低功耗、高精度的目的，本设计方案中所选的芯片都具有低功耗模式，可以在测量间隙工作于省电模式。

I 传感器 1 M 液品显示 10 AS /D M转 -- C传感器 2 -L// -/ 换 U型多路传 感器 3 转换 电开 路 无线蓝牙关传感器 18 (Bluetooth)I 通讯图 2 硬件 电路结构框 图2.2 多路转换开关多路转换开关电路如图 3所示，在电路中选用模拟开关芯片 CD4052，它是-个差分 4通道数字控制模拟开关，具有低导通阻抗和低截止漏电流，通过控制两个二进制输人端A、B和使能端INH，实现差分信号选通。如当INH输人端为低电平时，输人信号 A、B可选通 4对通道中的-对通道，从而实现通道切换。

VCC过该电路能够有效地滤除寄生在线路上的串模及共模信号的干扰，保证数据的稳定性。如图4所示，信号 A1N1和 AIN2经过差分放大之后，经过-个低通滤波器之后进人-个24位 ADC芯片 ADS1248转换成为数字信号，再通过 I2C总线接口与 MCU进行通信。差分放大信号如公式(3)所示：l1- 12：(VA l- ，2)(12 4/ 5) (3)其中：R4 R6；RlR7o圈 4 数据采集电路3 软件设计该系统的软件设计最重要的首先是采用描绘实时曲线的方式，自动记录检测数据，直观反映检测设备的性能。其次根据不同的检定规程、校准规范或国家标准设计自动检测流程，并进行数据分析与处理。如图 5所示，为区分每个通道对应的曲线，系统采用不同颜色进行标记，并且可以随时更改每条曲线的颜色。系统设计多达40条曲线，并可同时描绘，以满足多通道温度曲线的记录要求。

- 图5 多通道温度曲线图图3 多路转换开关电路 4 结果分析2.3 数据采集电路 4.1 热电偶信号输入实验系统采用高准确度、低漂移和低噪声的单电源 采用Fluke 525A型温度压力校验器，分别使用K、s、CMOS运算放大器 OPA335，设计-种全差分放大电路，通 T型热电偶补偿导线及相应型号的热电偶快速插头连接林军：多通道高准确度温度监潮系统的研究校验器和温度数据采集器(525A使用内置的温度补偿，温度数据采集器使用第 18通道采集的温度数据)，输出各温度点热电势值，试验结果见表 1所示，温度数据采集器T、K、S型热电偶测量准确度均优于±0.05%F.S指标。

表 1 热电偶信号输入实验4.2 高温环境铂电阻输人准确度影响实验由于该系统经常使用在工业现场，环境条件恶劣温度通诚高，因此有必要对温度数据采集器进行环境温度影响的研究与改进。该系统针对环境温度变化通过设计温度自动补偿硬件线路，抵消温漂对测量准确度的影响，有效的解决了温漂问题。

表2 高温环境准确度影响实验将温度数据采集器放置高温试验箱中，分别设置在40C和 70(2进行高温环境试验，温度平衡后，用标准电阻箱输入温度检定点的电阻信号，检测结果见表 2。从检测结果可以看出，该系统测量准确度基本不受高温环境影响。

5 结论本文介绍-种采用高精度的 ADC芯片 ADS1248和多路选择开关 CD4052的多通道、高准确度的温度监测系统。通过对仪表的抗干扰能力进行研究，使得仪表在70℃高温环境下，铂 电阻测量准确度同样 能达 到 ±0.1℃。该系统通过无线蓝牙通讯与智能手机(安卓或微软操作系统)进行通讯，也可通过 USB供电同时进行通讯等方式与台式电脑或笔记本电脑进行通信，实现多通道彩色曲线描绘以及自动记录数据，完成国家标准或规程规范要求的自动检测过程。该系统的研制成果已广泛应用在计量、电子、医药、质检等行业，成果获得 2011年国家质检总局科技兴检三等奖。