面向Pt100铂电阻的高精度多路测温系统

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Ptl00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。Ptl00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-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，-般使用于测量精度要求不高的诚 [230-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b ，但不能消除测量误差。在Ptl00多路测温系统中，通常以增加模拟收稿日期：2012-10-l1基金项目：国家自然科学基金资助项目(51106141)作者简介：徐莉振(1988-)，男，浙江永康人，主要从事机电控制及其自动化方面的研究.E-mail：b06350222###163c0m通信联系人：鲍 敏，男，博士，副教授 ，硕士生导师.E-mail：mbao###zstu.edu.cn机 电 工 程 第30卷开关芯片来实现多路测温：-种是在Ptl00接人口处增加模拟开关，但同时也引进了模拟开关导通内阻的误差 ；-种是在信号调理完成后加人模拟开关，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 ]。

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PtlO0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Ptl00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Atmegal6选通-组模拟开关时，恒流源产生-个1 mA的电流，作用在Ptl00铂电阻温度传感器和100 Q标准电阻(千分之-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人的小信号进行 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：U 卢( ：-U )卢l， (r 尺 )-，2(r： I (1)式中：卢-差分放大倍数。

当，。，2，，且r1r：r3时，Uo/3[t(R -100)l，消除了引线电阻的影响。

图2 双恒流源测温原理r ，r ，r3- 引线电阻，当引线长短-致时，引线电阻大小相等；R --Pt10O电阻；R-10o Q标准电阻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Ptl00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 ，即在Ptl00传感器电阻值为100 n时，流过Ptl00的电流信号不大于 1 mA，因此该系统中设计了-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 ]。

其中，输出电压为：(，惫)( R10 )设 R。R。R。3：R 100kQ，则：Uo Ui U (3)输出电流为：： ： (4)0 0vl 向 西 -2Xl14船 15筐R UTC 10 Y 1 l YD 土 I 5 ；厂 上 i 《 -Lf j1 上 L君 r图3 温度采集调理电路第1期 徐莉振，等：面向Ptl00铂电阻的高精度多路测温系统 ·67 ·因此，只要 i 和 尺 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 为 l%精度的3 kO欧精密电阻，其余 8个电阻为大量同-批次的精密电阻中选出的阻值接近的8个电阻。在 ，，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-致性保持在千分之-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-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-恒流源及放大电路的思路。

模拟电子开关与4路Ptl00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Atmegal6单片机的3个I/O口。

当 、y0通道导通时，双恒流源电流分别通过100 Q标准电阻流人地以及 Ptl00流人地。从而产生Ptl00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 v)、温度漂移电压(0.05 tzV/C)和噪声电压，其静态电流为 17 A，共模抑制比为 125 dB，是-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。

， 端在 Ptl00测温范围0-100C内，最大输人压差为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0-3.85 1 V的电压，再通过后半部起缓冲作用的电压跟随器 ]，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-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。

图4 A/D转换电路其中，ADS8320的567引脚接ATmegal6的3个yo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n。。

插入排序的基本设计思想是：在-个已经排好序的记录子集的基础上，每-步都将下-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。折半插人排序法对-般排序进行了优化，可以减少-般插人排序过程中比较的次数，对于实时I生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-次循环中)为对某-个元素的插入排序，这样处理后，在最后-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· 68 · 机 电 工 程 第3O卷记录集合求平均值，即可得到较准确的AID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0～100C范围测温时，电阻-温度关系式满足下式：R R0X《1At ) (5)式中：尺 ， -Pt1o0铂电阻在温度为t(oC)和0 时的电阻值。

由式(5)可以推出：AR-Ro×IAAtBAt ) (6)要想使被测 的 Ptl00铂 电阻的测量精度 达到0.1 oC，即取 0.1代人式(6)，可求得：AR 0.039 1。

即该系统测得 的 Ptl00铂电阻的阻值精度 为0.039 1。则系统的最大相对误差为 Y0.039 1/1003.9l×10～。

4.2 误差来源及理论误差计算整个系统的误差来源包括 ：恒流源拈误差 。，Ptl00铂电阻引线误差 ，模拟电子开关组导通电阻误差 ，，差分放大电路误差y 。

4.2.1 恒流源拈误差恒流源拈误差主要来源于精密电压基准芯片REF3030的误差 4通道放大器ISL28433的误差和精密电阻 尺 的误差 。假设系统工作环境温度变化 △ 20 oC，REF3030的温漂为20 ppm/C，可以算出 20×10 ×20/3.01.33×10～。

由于ISL28433输入偏置电流为 180 pA(最大值)、输入失调电流为10 pA，则： f180 X 10I1 10×10 )/1 X 101.9×10恒流源电路中的电阻 尺 为低温漂精密电阻，其温漂值为10 ppm/C，可以计算得：310×10- ×20/3×10 6.67×10-综上，恒流源的误差为：1 √ 1 y123≈1.33×10-4.2.2 Ptl00铂电阻引线误差该设计中的Ptl00铂电阻测温采用双恒流源三线制测量 ，其内阻及接线情况如图3右下角所示。其中R 为引线线电阻，尺 为Ptl00电阻。因为本研究采用差分放大电路 ，只要引线长度-致时，引入的引线误差基本可以忽略不计，即 -0。

4.2.3 模拟电子开关组导通电阻误差该系统中的模拟电子开关为CD4052，其导通时的电阻约为几百欧，研究者可以把前级电子开关的导通电阻看作恒流源电路的负载电阻-部分，对恒流源电流大小无影响。而后级电子开关的导通电阻可以看作放大电路中运放的输入阻抗的-部分，对于高输入阻抗的运放芯片来说可忽略不计 ，因此两部分的影响都很/J、，即 ， 0。

4.2.4 差分放大电路误 差差分放 大电路 的误差 主要决定 因素来源 为ISL28233的输入失调电压1 1 V(最大值)和失调电压漂移0.05VFC(最大值)。假设系统工作环境温度变化△ 20℃∩计算出：y f11×10 0.05×10 x 20)/100 x 10～1.2×10-4.2.5 系统采集综合误差由上述分析结合各部分误差，则可计算出温度采集系统的综合误差为：7√ ； ： 1.79×10由于计算出的系统误差小于Ptl00铂电阻的最大相对误差，该系统的测量精度在理论计算上满足要求。

图6 电路板实物 图实验测试恒温槽是宁波东南仪器有限公司生产的热 量 计 检 定 专 用 恒 温 槽 ，其 温 度 波 动 度 为±0.01(2/3O rain，温度均匀度为0.O1℃。

表2 温度实测值标准温度值 对应阻值 A/D转换电压值 实测温度 测量误差由表2可知，测试温度值与实际值之间的误差值小于 ±0.1℃，满足系统精度要求。

(下转第72页)· 72 · 机 电 工 程 第3O卷4 结束语(1)本研究采用正交试验设计采集数据，通过响应面法获取设计目标的响应面模型，该方法可以用来准确描述设计变量与设计 目标之间的关系。

(2)本研究以响应面模型替代有限元模型，应用遗传算法进行优化设计，其优化结果与有限元模型结果基本-致。

(3)在实际应用中，该方法中的边界条件参数尚需实验测定。对于复杂耦合场的多学科优化设计，研究者可以用该方法取代有限元模型进行求解 ，避免了对有限元软件的二次开发，提高了求解效率。