基于鉑電阻和熱電偶的測溫系統

摘要:介紹了一種基于鉑電阻和熱電偶的測溫系統，詳細分析了其測量原理及測量誤差。該系統采用AD7792作為采集芯片，能夠通過(guò)利用多種鉑電阻和多種熱電偶實(shí)現對溫度測量，并將測量結果實(shí)時(shí)顯示在OLED.上。實(shí)驗結果表明該系統的測量精度高、通用性強、重復性好、操作方便。
　　在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，為了有效地進(jìn)行生產(chǎn)操作、發(fā)現安全隱患、避免安全事故等的發(fā)生，需要對有關(guān)參數如溫度、壓力、流量等進(jìn)行自動(dòng)檢測。溫度是度量物體冷熱程度的物理量，在電廠(chǎng)的鍋爐爐溫控制和管路控制中溫度是必須要監測的參數之一。
　　鉑電阻溫度傳感器，因其測量精度高、復現性好、穩定性強等特點(diǎn)被廣泛使用，但鉑電阻的阻值和溫度之間的非線(xiàn)性特性給最后的溫度測量帶來(lái)了一定的誤差，難以達到較高的指標要求;熱電偶的檢測靈敏度低，但其使用范圍寬。熱電偶及鉑熱電阻的檢測是一項辛苦的工作。不但檢測時(shí)間長(cháng)，人員勞動(dòng)強度大，而且原始數據量大，運算處理較繁雜，容易出錯。檢測工作的效率低。因此迫切需要一種自動(dòng)化程度高，節省時(shí)間，精度高的檢測系統來(lái)解決這一問(wèn)題。本文設計的基于鉑電阻和熱電偶的測溫系統由信號采集和顯示兩部分構成，通過(guò)調節撥碼開(kāi)關(guān)能夠實(shí)現對鉑電阻PT100、PT1000以及K型熱電偶和J型熱電偶的溫度測量，將測量的溫度值實(shí)時(shí)顯示在OLED上,便于測試人員觀(guān)察。利用該系統對PT100和K型熱電偶的溫度進(jìn)行測量，得到了理想的實(shí)驗結果。
1系統硬件結構及工作原理
　　該測溫系統的硬件部分主要由AD7792采集電路、數字隔離電路、LM3S2608單片機、OLED顯示電路、AD5422信號傳輸電路、撥碼開(kāi)關(guān)、按鍵和指示燈等組成，硬件結構如圖1所示。
 
　　AD7792負責采集鉑電阻和熱電偶的數據，LM3S2608控制采樣頻率、響應按鈕和撥碼開(kāi)關(guān)的命令、將采集的數據轉換成對應的測量溫度、控制OLED的顯示、傳輸4~20mA信號等。
　　AD7792具有兩個(gè)高精度的可編程恒流激勵源，內置有可編程的儀表放大器，可以對不同的輸入信號.選擇相對應的放大倍數，實(shí)現信號的匹配。它內置16位ADC,采用SPI串行接口，容易實(shí)現光耦隔離，簡(jiǎn)化了電路。此芯片具有低電源、低噪聲的特點(diǎn)，有三路差分模擬輸入，可以滿(mǎn)足設計要求叫。
　　AD7792測溫的原理如圖2所示，通道1使用兩線(xiàn)制測量熱電偶的溫度，通道2使用三線(xiàn)制測量鉑電阻的溫度。
 
1.1三線(xiàn)制鉑電阻溫度的測量
　　鉑電阻溫度的測:量原理如圖3所示。圖中J1連接待測的鉑電阻:I1和I2為兩個(gè)匹配的恒流源;RHI、RL2、RL3為三線(xiàn)制測量導線(xiàn)的電阻，它們理論上相等;Rref為精密參考電阻,在系統中使用以提供外部參考電壓。RL3和Rrer共同組成公共對地端。其中，AIN2+和AIN2-為鉑電阻差分測量的兩端，激勵源I1給AIN2+路提供電源，電流經(jīng)鉑電阻RRrD，測量導線(xiàn)R3，參考電阻Rref到地組成-一個(gè)測量回路;激勵源I2給AIN2-路提供電源，電流經(jīng)測量導線(xiàn)RL2，參考電阻Rreft到地組成一個(gè)測量回路。在兩個(gè)激勵源匹配且三條測量導線(xiàn)理論相等的情況下，AIN2+和AIN2-之間的差值即為鉑電阻的測量值。這樣理論上就消除了導線(xiàn)電阻對測量的影響。
　　測量AIN2+和AIN2-之間的信號，測量值通過(guò)AD7792內部的放大器放大后經(jīng)過(guò)ADC得到數字信號，再通過(guò)SPI接口傳送給單片機。
　　對于16位ADC來(lái)說(shuō)，其分辨率為1/65536,故其
 
　　即鉑電阻與參考電阻成正比，這就方便了測量結果的計算。根據測量的電阻值，對照鉑電阻電阻值與溫度值的對應關(guān)系表就能計算出鉑電阻測試點(diǎn)的溫度。
1.2兩線(xiàn)制熱電偶溫度的測量.
　　將兩種不同材料(但符合一定要求)的導體或半導體的任意一端焊接在--起就構成了熱電偶。組成熱電偶的導體或半導體稱(chēng)為熱電極，被焊接的一端插入測溫場(chǎng)所，稱(chēng)為工作端，另一端稱(chēng)冷端。當兩端溫度不同時(shí)就會(huì )有熱電勢產(chǎn)生，它是測量溫度的感溫元件，將溫度信號轉換為電信號再由儀表顯示出來(lái)。
　　熱電偶的測溫原理就是利用了熱電效應。任意兩種材質(zhì)不同的金屬導體或半導體首尾連接成閉合回路，只要兩接點(diǎn)的溫度不同，就會(huì )產(chǎn)生熱電勢，形成熱電流，這就是熱電效應。
　　熱電偶產(chǎn)生的熱電勢與熱電偶的材質(zhì)及冷熱兩接點(diǎn)的溫度有關(guān)，是兩接點(diǎn)溫度之差。將熱電偶的冷端放在室溫空氣中，工作端放入測溫場(chǎng)所，用AD7792測出熱電偶的熱電勢。
　　利用AD7792測量熱電勢的原理圖如圖4。J2為熱電偶接入端，利用AD7792內部電壓源作為參考，采用雙極性方式測量熱電偶的熱電勢。
 
　　由于使用AD7792內部參考電壓源，為1.17V,代入式(2-6),可得出熱電勢V。根據熱電偶的電勢與溫度對應關(guān)系表計算出相應的溫度即為熱電偶的工作端與冷端的溫度之差。同時(shí)利用鉑電阻測量室溫，即熱電偶冷端溫度，就可以得出熱電偶的工作端溫度。
1.2OLED的顯示
　　為了便于觀(guān)察測量點(diǎn)溫度，了解測溫方法(鉑電阻測量還是熱電偶測量以及鉑電阻和熱電偶的型號),系統中使用了128*96的OLED。這是一款全彩的OLED，內部驅動(dòng)芯片是SSD1339。其原理圖如圖5。
SCLK、SDIN和CS連接到單片機LM3S2608的SSI0接口，通過(guò)SPI的方式來(lái)驅動(dòng)液晶，提高液晶顯示和刷新的速度。
 
2系統硬件結構及工作過(guò)程
2.1系統硬件結構
　　如圖6所示，系統共有四個(gè)按鈕，分別實(shí)現零點(diǎn)校準、滿(mǎn)量程校準、報警溫度加減設置(長(cháng)按為加，短按為減)、復位的功能。這些功能都由LM3S2608來(lái)實(shí)現。
 
　　通過(guò)調節撥碼開(kāi)關(guān)可以實(shí)現對不同鉑電阻和熱電偶的溫度的測量，撥碼開(kāi)關(guān)的設置與測溫方式的對應關(guān)系如表1:
 
2.2系統工作過(guò)程
　　利用該系統進(jìn)行溫度測量，首先要根據測量的鉑電阻或熱電偶的類(lèi)型來(lái)設置撥碼開(kāi)關(guān)的位置(見(jiàn)表1),然后將鉑電阻和熱電偶分別連接到AD7792的通道2和通道1,如果只測鉑電阻的溫度，則通道1可以不連。硬件連接好后，給系統上電(工作電壓24V)，系統即可開(kāi)始工作。
　　OLED左上角用紅色字體顯示設置的報警溫度，當測量溫度超過(guò)該設置溫度時(shí)，紅色的報警指示燈閃爍。該溫度值可通過(guò)OLED下方的按鍵來(lái)設置，設置完成，該數據存入LM3S2608的FLASH;OLED中間黑色字體顯示的是測量點(diǎn)的溫度;最下方則顯示測溫的類(lèi)型。
3測試結果與分析
　　表1中的六種測溫方式都已通過(guò)實(shí)驗驗證，挑選其中一種(0010測量K型熱電偶的溫度，利用PT100測熱電偶的冷端溫度)的實(shí)驗結果進(jìn)行分析。
3.1兩線(xiàn)制熱電偶溫度的測量
　　將撥碼開(kāi)關(guān)撥到0010的位置，將K型熱電偶和PT100分別連接到AD7792的通道1和通道2.K型熱電偶一端放在干體爐中,另一端裸露在空氣中，PT100懸置于空氣中。給測溫系統上電。
　　調節干體爐(具體為isotechjupiter650s型干體校驗爐)的爐膛溫度從50℃開(kāi)始,每隔50℃遞增到250℃后，再每隔50℃遞減到50℃,每次等爐膛溫度達到設置值并穩定后，讀取測溫系統的OLED.上顯示的測量溫度值。測試數據如表2:
 
　　分析表2的數據，可以看出我們測溫的結果比干體爐中標準鉑電阻的測溫結果低0.4~0.5℃,這是由多方面的原因引起的，稍后會(huì )做詳細的分析，但是該系統的重復性很好。
3.2誤差分析
　　在這個(gè)測溫系統中，測量的溫度產(chǎn)生誤差的主要原因有以下幾種:
1)精密電阻不正確引入的誤差
 
　　當環(huán)境溫度為0℃,采用PT100(此時(shí)電阻值為100Ω)，采用精密電阻值為5.11kΩ，精度為0.1%時(shí)，精密電阻引入的絕對誤差為100*0.1%=0.19。
2)兩個(gè)恒流源不匹配引入的誤差
　　當輸出電壓為0時(shí),，則誤差為:
　　當條件同(1)時(shí)，恒流源不匹配引入的絕對誤差為:Ω。
3)PT100本身的誤差
　　理論上,PT100的阻值為1002時(shí)，它所處的環(huán)境溫度為0℃。實(shí)際上，不同廠(chǎng)家不同批次甚至是同一批次生產(chǎn)出來(lái)的PT100都有或多或少的差異，當溫度為0℃時(shí)，其阻值不一定為100Ω。
4)干體爐本身誤差
　　如果只考慮精密電阻和恒流源造成的誤差，當環(huán)境溫度為0℃時(shí)，采用PT100引入的絕對誤差為0.352,.對應的溫度誤差為0.9C.我們設計的系統的誤差只有0.4~0.5℃,相對誤差低于1%,這說(shuō)明該系統的測量精度是相當高的。如果使用前將PT100進(jìn)行校準將會(huì )進(jìn)一步減小系統的誤差。
4結論
　　本測量系統可實(shí)時(shí)采集鉑電阻和熱電偶信號，能夠實(shí)現多種鉑電阻和多種熱電偶的溫度測量，并將測量結果與測量類(lèi)型顯示在OLED.上,也可通過(guò)4-20mA進(jìn)行遠程傳輸。實(shí)驗證明該系統的測量精度高、重復性好、通用性強，具有一定的實(shí)用價(jià)值。