一種精度高靈活性好熱電阻測溫模塊

摘要:介紹一種熱電阻測溫模塊的設計方法。該設計利用高集成度、精度高ADC芯片ADS1248實現了一種精度高高靈活性熱電阻溫度采集模塊。該模塊可以接入8路三線制熱電阻也可以接入4路四線制熱電阻采集精度為0.1%。
0引言
       溫度量是工業場合用到最多的物理量之一。熱電阻是一種常用的溫度傳感器,其特點是:準確度高、線性度較好、性能穩定。按接線方式劃分熱電阻有以下三種:二線制熱電阻、三線制熱電阻、四線制熱電阻。由于二線制熱電阻測量準確度受線電阻影響大,因此實際應用中往往采用三線制或四線制熱電阻。三線制熱電阻成本較低接線較方便;而四線制熱電阻可實現更高的測量準確度。
       本文給出了一種熱電阻測溫模塊的設計方法。該熱電阻溫度采集模塊可實現對溫度的精度高采集采集精度可達0.1%。同時該模塊具有接入熱電阻靈活性高的特點可接入三線制熱電阻也可接入四線制熱電阻為用戶帶來便利。
文中提到的熱電阻種類均指PT100類型熱電阻。
1系統硬件設計及原理
1.1硬件框圖
       系統硬件框圖如圖1所示。圖中MCU為主芯片;ADS1248為采樣芯片系統中共使用2片ADS1248;在MCU與ADS1248之間的通信信號采用了磁耦芯片ADuM1401進行隔離;外接24VDC電源通過隔離DC-DC模塊轉換成5V為采樣電路供電。主芯片與采樣芯片間通過串口進行通信,MCU與ADS1248通過SPI口進行數據交換。
此模塊為可編程控制器的擴展模塊,因此具有擴展總線。通過擴展總線該模塊與可編程控制器主機進行數據交換。
1.2ADS1248特性及應用
       TI公司的ADS1248是高度集成的24位精密ADC芯片它集成了低噪音可編程增益放大器(PGA).單周期設定數字濾波器的精密DeltaSigmaADC、振蕩器、多路選擇開關(InputMux),可采樣4組差分或7組單端輸入;該芯片還具有50/60Hz同步抑制模式;傳感器斷線檢測功能。設計中使用該芯片,可簡化設計提高性能。
1.3三線制熱電阻測量方法
       文中所設計的熱電阻模塊可以接入三線制熱電阻。在采樣三線制熱電阻時通過配置ADS1248使得恒流源與熱電阻的連接關系如圖3所示。圖中R.,Rn2,Rn3為三線制熱電阻三根連接線的線電阻。ADS1248采集芯片內部集成以下部件:恒流源(IDAC1,IDAC2)多路選擇開關(MUX),可編程運放(PGA)模數轉換器(ADC)。Re為參考源取樣電阻，該電阻接于ADS1248外部。

       三線制熱電阻采樣時,首先需要對多路選擇開關進行配置。MCU通過SPI口向ADS1248寫入控制字,達到對多路選擇開關MUX的配置目的。通過配置多路選擇開關使得2個電流源與三線制熱電阻的連接關系如圖2所示。連接關系配置結束后配置PGA參數然后配置電流源并啟動電流源。當電流流過熱電阻RTD時會產生壓降;同樣電流流過熱電阻的連線電阻時，也會產生壓降。加在PGA.上的差分電壓如式(1)所示。


       式中:u為加在PGA.上的差分電壓;R_RTD為實際熱電阻值;Rw1為熱電阻a端一-根導線的電阻;Rw.2為熱電阻b端一根導線的電阻;i為恒流源輸出電流值。
       兩路恒流源電流匯聚后,流經參考源采樣電阻Ref產生壓降。該電壓作為ADS1248內部模數轉換器參考源參考源電壓如式(2)所示。

      式中:Vref為實際參考電壓;Rref為實際參考電阻值;i為恒流源輸出電流值。
      通過公式推導三線制熱電阻采樣值與實際值的關系如式(3)所示。

       式中:Rrld為實測熱電阻值;R_RTD為實際熱電阻值;REP.為理論參考電阻值。
       由式(3)可知三線制熱電阻測量精度與熱電阻線電阻差值(Rw1-Rw2)參考源采樣電阻Rref的精度有關。
1.4四線制熱電阻測量方法
       在采樣四線制熱電阻時通過配置ADS1248使得恒流源與熱電阻的連接關系如圖3所示。.

       采樣四線制熱電阻時，只用到1個恒流源此時加在PGA輸入端的差分電壓如式(4)所示。

       可見,四線制熱電阻采樣精度只與參考源采樣電阻Rref的精度相關。
       對比式(3)和式(6)可充分說明三線制熱電阻及四線制熱電阻的精度差異及其原因。
2系統軟件設計
       圖4為系統軟件主流程圖。系統上電后,首先進行初始化工作然后根據外部信號判斷是否進行精度校正操作(精度校正在只在產品出廠時進行一次)然后進入主循環。在主循環中首先取擴展總線上寫入的配置信息(通道開啟、量程、線制、溫度制式、斷線默認值等配置信息)并作設置,當配置信息與前次不相同時才進行配置操作。

       主循環的第二個操作是斷線檢測。通過斷線檢測步驟被開啟但出現斷線故障的通道號被標記。接下來是采集熱電阻通道程序只對開啟且沒有斷線故障的通道進行采樣。對所有正常通道采集完成后便依據采樣值(電阻值)、斷線狀態和通道配置計算出各通道的溫度值沒有開啟的通道溫度值為0。得到所有通道溫度值后便把這些溫度數據寫到相應的內存區域等待可編程控制器主機讀取。
       在熱電阻阻值到溫度值的轉換過程中采用了查表法和線性插值。主芯片的FLASH中預先存有PT100分度表(符合JB/T8622-1997標準)溫度步長為1℃。當采樣熱電阻得出熱電阻的電阻值后通過查表和線性插值得出對應溫度值。
3精度提高的措施
3.1參考電阻Re
       由式(3)和式(6)可知無論三線制或是四線制熱電阻采樣精度都與參考電壓取樣電阻R.相關。因此,要想實現精度高測量必須選擇精度高和高穩定性電阻作為Rref。為實現0.1%的測量精度實際應用中選取了精度為0.05%的低溫漂電阻作為參考電壓取樣電阻。
3.2PGAoffseterror校正
       式(3)和式(6)推導過程基于理想情況,即PGA和ADC均不會引入誤差但實際情況并非如此。實際應用時發現PGA的ofeterror(PGA差分輸入電壓為0時輸出并非為0)較大使得測量值難以達到預定精度。
為解決該問題在模塊生產測試時針對每臺模塊本文對PGA的offseterror進行預測試并將每個通道預測試得出的offseterror值存入FLASH中,用來對以后的采樣值進行修正。
3.3濾波器設置
       工頻干擾(50Hz及60Hz電磁波)是工控測量系統中最常見的一-種干擾噪聲對測量精度影響很大熱電阻采樣電路易受工頻干擾和射頻干擾的影響。為實現精確測量模塊中必須加入抗干擾措施。
       本設計中利用ADS1248集成的數字濾波器(Pro-grammableDigitalFilter)對此類干擾進行抑制。數字濾波器放置于模數轉換之后其作用是對采樣值進行數字濾波處理從而達到濾除干擾噪聲的目的。
       ADS1248中數字濾波器的濾波特性與采樣速率有關。綜合衡量多方面因素后本設計選取20S/s(每秒20次)的采樣速率此時數字濾波特性如圖5所示。通過該濾波器50Hz及60Hz工頻干擾噪聲均被衰減70dB以上。

4結束語
       本文充分利用高集成度、精度高ADC芯片ADS1248設計實現了一種精度高高靈活性熱電阻溫度采集模塊。該溫度采集模塊根據配置不同,既可以接入8路三線制熱電阻，,也可以接入4路四線制熱電阻方便了用戶。同時該溫度采集模塊可實現0.1%的采集精度具有很高的工業應用價值。