基于鉑電阻和熱電偶的測(cè)溫系統(tǒng)

摘要:介紹了一種基于鉑電阻和熱電偶的測(cè)溫系統(tǒng)，詳細(xì)分析了其測(cè)量原理及測(cè)量誤差。該系統(tǒng)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(xiàn)對(duì)溫度測(cè)量，并將測(cè)量結(jié)果實(shí)時(shí)顯示在OLED.上。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)的測(cè)量精度高、通用性強(qiáng)、重復(fù)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(xiàn)安全隱患、避免安全事故等的發(fā)生，需要對(duì)有關(guān)參數(shù)如溫度、壓力、流量等進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)。溫度是度量物體冷熱程度的物理量，在電廠的鍋爐爐溫控制和管路控制中溫度是必須要監(jiān)測(cè)的參數(shù)之一。
　　鉑電阻溫度傳感器，因其測(cè)量精度高、復(fù)現(xiàn)性好、穩(wěn)定性強(qiáng)等特點(diǎn)被廣泛使用，但鉑電阻的阻值和溫度之間的非線性特性給最后的溫度測(cè)量帶來(lái)了一定的誤差，難以達(dá)到較高的指標(biāo)要求;熱電偶的檢測(cè)靈敏度低，但其使用范圍寬。熱電偶及鉑熱電阻的檢測(cè)是一項(xiàng)辛苦的工作。不但檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)，人員勞動(dòng)強(qiáng)度大，而且原始數(shù)據(jù)量大，運(yùn)算處理較繁雜，容易出錯(cuò)。檢測(cè)工作的效率低。因此迫切需要一種自動(dòng)化程度高，節(jié)省時(shí)間，精度高的檢測(cè)系統(tǒng)來(lái)解決這一問(wèn)題。本文設(shè)計(jì)的基于鉑電阻和熱電偶的測(cè)溫系統(tǒng)由信號(hào)采集和顯示兩部分構(gòu)成，通過(guò)調(diào)節(jié)撥碼開(kāi)關(guān)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)鉑電阻PT100、PT1000以及K型熱電偶和J型熱電偶的溫度測(cè)量，將測(cè)量的溫度值實(shí)時(shí)顯示在OLED上,便于測(cè)試人員觀察。利用該系統(tǒng)對(duì)PT100和K型熱電偶的溫度進(jìn)行測(cè)量，得到了理想的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
1系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)及工作原理
　　該測(cè)溫系統(tǒng)的硬件部分主要由AD7792采集電路、數(shù)字隔離電路、LM3S2608單片機(jī)、OLED顯示電路、AD5422信號(hào)傳輸電路、撥碼開(kāi)關(guān)、按鍵和指示燈等組成，硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。
 
　　AD7792負(fù)責(zé)采集鉑電阻和熱電偶的數(shù)據(jù)，LM3S2608控制采樣頻率、響應(yīng)按鈕和撥碼開(kāi)關(guān)的命令、將采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的測(cè)量溫度、控制OLED的顯示、傳輸4~20mA信號(hào)等。
　　AD7792具有兩個(gè)高精度的可編程恒流激勵(lì)源，內(nèi)置有可編程的儀表放大器，可以對(duì)不同的輸入信號(hào).選擇相對(duì)應(yīng)的放大倍數(shù)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的匹配。它內(nèi)置16位ADC,采用SPI串行接口，容易實(shí)現(xiàn)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，可以滿足設(shè)計(jì)要求叫。
　　AD7792測(cè)溫的原理如圖2所示，通道1使用兩線制測(cè)量熱電偶的溫度，通道2使用三線制測(cè)量鉑電阻的溫度。
 
1.1三線制鉑電阻溫度的測(cè)量
　　鉑電阻溫度的測(cè):量原理如圖3所示。圖中J1連接待測(cè)的鉑電阻:I1和I2為兩個(gè)匹配的恒流源;RHI、RL2、RL3為三線制測(cè)量導(dǎo)線的電阻，它們理論上相等;Rref為精密參考電阻,在系統(tǒng)中使用以提供外部參考電壓。RL3和Rrer共同組成公共對(duì)地端。其中，AIN2+和AIN2-為鉑電阻差分測(cè)量的兩端，激勵(lì)源I1給AIN2+路提供電源，電流經(jīng)鉑電阻RRrD，測(cè)量導(dǎo)線R3，參考電阻Rref到地組成-一個(gè)測(cè)量回路;激勵(lì)源I2給AIN2-路提供電源，電流經(jīng)測(cè)量導(dǎo)線RL2，參考電阻Rreft到地組成一個(gè)測(cè)量回路。在兩個(gè)激勵(lì)源匹配且三條測(cè)量導(dǎo)線理論相等的情況下，AIN2+和AIN2-之間的差值即為鉑電阻的測(cè)量值。這樣理論上就消除了導(dǎo)線電阻對(duì)測(cè)量的影響。
　　測(cè)量AIN2+和AIN2-之間的信號(hào)，測(cè)量值通過(guò)AD7792內(nèi)部的放大器放大后經(jīng)過(guò)ADC得到數(shù)字信號(hào)，再通過(guò)SPI接口傳送給單片機(jī)。
　　對(duì)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(cè)量結(jié)果的計(jì)算。根據(jù)測(cè)量的電阻值，對(duì)照鉑電阻電阻值與溫度值的對(duì)應(yīng)關(guān)系表就能計(jì)算出鉑電阻測(cè)試點(diǎn)的溫度。
1.2兩線制熱電偶溫度的測(cè)量.
　　將兩種不同材料(但符合一定要求)的導(dǎo)體或半導(dǎo)體的任意一端焊接在--起就構(gòu)成了熱電偶。組成熱電偶的導(dǎo)體或半導(dǎo)體稱為熱電極，被焊接的一端插入測(cè)溫場(chǎng)所，稱為工作端，另一端稱冷端。當(dāng)兩端溫度不同時(shí)就會(huì)有熱電勢(shì)產(chǎn)生，它是測(cè)量溫度的感溫元件，將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)再由儀表顯示出來(lái)。
　　熱電偶的測(cè)溫原理就是利用了熱電效應(yīng)。任意兩種材質(zhì)不同的金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)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(shì)，形成熱電流，這就是熱電效應(yīng)。
　　熱電偶產(chǎn)生的熱電勢(shì)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(cè)溫場(chǎng)所，用AD7792測(cè)出熱電偶的熱電勢(shì)。
　　利用AD7792測(cè)量熱電勢(shì)的原理圖如圖4。J2為熱電偶接入端，利用AD7792內(nèi)部電壓源作為參考，采用雙極性方式測(cè)量熱電偶的熱電勢(shì)。
 
　　由于使用AD7792內(nèi)部參考電壓源，為1.17V,代入式(2-6),可得出熱電勢(shì)V。根據(jù)熱電偶的電勢(shì)與溫度對(duì)應(yīng)關(guān)系表計(jì)算出相應(yīng)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(cè)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
　　為了便于觀察測(cè)量點(diǎn)溫度，了解測(cè)溫方法(鉑電阻測(cè)量還是熱電偶測(cè)量以及鉑電阻和熱電偶的型號(hào)),系統(tǒng)中使用了128*96的OLED。這是一款全彩的OLED，內(nèi)部驅(qū)動(dòng)芯片是SSD1339。其原理圖如圖5。
SCLK、SDIN和CS連接到單片機(jī)LM3S2608的SSI0接口，通過(guò)SPI的方式來(lái)驅(qū)動(dòng)液晶，提高液晶顯示和刷新的速度。
 
2系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)及工作過(guò)程
2.1系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
　　如圖6所示，系統(tǒng)共有四個(gè)按鈕，分別實(shí)現(xiàn)零點(diǎn)校準(zhǔn)、滿量程校準(zhǔn)、報(bào)警溫度加減設(shè)置(長(zhǎng)按為加，短按為減)、復(fù)位的功能。這些功能都由LM3S2608來(lái)實(shí)現(xiàn)。
 
　　通過(guò)調(diào)節(jié)撥碼開(kāi)關(guān)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同鉑電阻和熱電偶的溫度的測(cè)量，撥碼開(kāi)關(guān)的設(shè)置與測(cè)溫方式的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1:
 
2.2系統(tǒng)工作過(guò)程
　　利用該系統(tǒng)進(jìn)行溫度測(cè)量，首先要根據(jù)測(cè)量的鉑電阻或熱電偶的類型來(lái)設(shè)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(cè)鉑電阻的溫度，則通道1可以不連。硬件連接好后，給系統(tǒng)上電(工作電壓24V)，系統(tǒng)即可開(kāi)始工作。
　　OLED左上角用紅色字體顯示設(shè)置的報(bào)警溫度，當(dāng)測(cè)量溫度超過(guò)該設(shè)置溫度時(shí)，紅色的報(bào)警指示燈閃爍。該溫度值可通過(guò)OLED下方的按鍵來(lái)設(shè)置，設(shè)置完成，該數(shù)據(jù)存入LM3S2608的FLASH;OLED中間黑色字體顯示的是測(cè)量點(diǎn)的溫度;最下方則顯示測(cè)溫的類型。
3測(cè)試結(jié)果與分析
　　表1中的六種測(cè)溫方式都已通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，挑選其中一種(0010測(cè)量K型熱電偶的溫度，利用PT100測(cè)熱電偶的冷端溫度)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。
3.1兩線制熱電偶溫度的測(cè)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(cè)溫系統(tǒng)上電。
　　調(diào)節(jié)干體爐(具體為isotechjupiter650s型干體校驗(yàn)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(dá)到設(shè)置值并穩(wěn)定后，讀取測(cè)溫系統(tǒng)的OLED.上顯示的測(cè)量溫度值。測(cè)試數(shù)據(jù)如表2:
 
　　分析表2的數(shù)據(jù)，可以看出我們測(cè)溫的結(jié)果比干體爐中標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻的測(cè)溫結(jié)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(xì)的分析，但是該系統(tǒng)的重復(fù)性很好。
3.2誤差分析
　　在這個(gè)測(cè)溫系統(tǒng)中，測(cè)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(dāng)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(duì)誤差為100*0.1%=0.19。
2)兩個(gè)恒流源不匹配引入的誤差
　　當(dāng)輸出電壓為0時(shí),，則誤差為:
　　當(dāng)條件同(1)時(shí)，恒流源不匹配引入的絕對(duì)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(dāng)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(dāng)環(huán)境溫度為0℃時(shí)，采用PT100引入的絕對(duì)誤差為0.352,.對(duì)應(yīng)的溫度誤差為0.9C.我們?cè)O(shè)計(jì)的系統(tǒng)的誤差只有0.4~0.5℃,相對(duì)誤差低于1%,這說(shuō)明該系統(tǒng)的測(cè)量精度是相當(dāng)高的。如果使用前將PT100進(jìn)行校準(zhǔn)將會(huì)進(jìn)一步減小系統(tǒng)的誤差。
4結(jié)論
　　本測(cè)量系統(tǒng)可實(shí)時(shí)采集鉑電阻和熱電偶信號(hào)，能夠?qū)崿F(xiàn)多種鉑電阻和多種熱電偶的溫度測(cè)量，并將測(cè)量結(jié)果與測(cè)量類型顯示在OLED.上,也可通過(guò)4-20mA進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸。實(shí)驗(yàn)證明該系統(tǒng)的測(cè)量精度高、重復(fù)性好、通用性強(qiáng)，具有一定的實(shí)用價(jià)值。