一種高精度溫度采集系統(tǒng)

1、引言

在工業(yè)和醫(yī)學(xué)等諸多領(lǐng)域，高精度的溫度測(cè)量都有著很廣泛的應(yīng)用。例如在煤礦和火電廠廣泛應(yīng)用的煤質(zhì)分析儀中，需要對(duì)一定質(zhì)量的煤燃燒后所導(dǎo)致的一定質(zhì)量的水的溫度變化進(jìn)行精確的測(cè)量，并根據(jù)水溫的變化幅度對(duì)煤的質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估[1,2]。在醫(yī)學(xué)上用于生命科學(xué)研究和基因診斷的PCR熱循環(huán)儀中，也同樣需要對(duì)水或油的溫度變化進(jìn)行精確的測(cè)量[3,4]。本文介紹了一種采用鉑電阻作為溫度傳感器的溫度采集系統(tǒng)，其測(cè)量精度達(dá)到了較高的水準(zhǔn)。

2、測(cè)量原理

為了實(shí)現(xiàn)高精度的溫度測(cè)量，在本系統(tǒng)中采用了基準(zhǔn)電阻值為500Ω的Pt500鉑電阻作為溫度傳感器件，并對(duì)其溫度系數(shù)和非線性特性進(jìn)行了精確校準(zhǔn)[5,6,7]。如圖1所示，將鉑電阻接入到由精密電壓源和精密電阻構(gòu)成的電橋電路中，當(dāng)溫度為0℃時(shí)，電橋達(dá)到平衡，其輸出電壓為0；當(dāng)溫度上升時(shí)，假設(shè)將鉑電阻的阻值隨溫度的變化關(guān)系用二階多項(xiàng)式表示，則電橋電路的輸出電壓 與溫度 的關(guān)系如下式所示：

式中k1、k2 為鉑電阻的溫度系數(shù)。圖1中5V電壓源由精密電壓基準(zhǔn)源芯片LT1019產(chǎn)生，其典型溫度系數(shù)為3×10-6/℃；除鉑電阻外，電橋的另外三個(gè)橋臂電阻均由精度為0.01%、溫度系數(shù)為5×10-6/℃的高精密線繞電阻構(gòu)成。

圖1 測(cè)量電橋
Fig.1 The measurement electrical bridge

一般情況下有 ， [8,9]。當(dāng)溫度測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量范圍設(shè)計(jì)為0~100℃時(shí)，根據(jù)式（1）可知在此溫度范圍內(nèi)測(cè)量電橋輸出電壓的范圍約為0~383.48mV。

從測(cè)量電橋電路輸出的電壓信號(hào) 被儀表放大器AD620放大6倍后，其輸出電壓 范圍在0~2.3V之間。根據(jù)式（1），有當(dāng)溫度測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量范圍設(shè)計(jì)為0~100℃時(shí)，根據(jù)式（1）可知在此溫度范圍內(nèi)測(cè)量電橋輸出電壓的范圍約為0~383.48mV。

從測(cè)量電橋電路輸出的電壓信號(hào)Ue1被儀表放大器AD620放大6倍后，其輸出電壓 范圍在0~2.3V之間。根據(jù)式（1），有

由式（2）可知，當(dāng)測(cè)量出 后，溫度 可按下式計(jì)算得出：

3、數(shù)據(jù)采集電路

為了保證電壓轉(zhuǎn)換的精度，系統(tǒng)中采用了20位∑-Δ型串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7703來(lái)完成數(shù)據(jù)采集。AD7703由美國(guó)ADI公司生產(chǎn)，它采用過(guò)采樣∑-Δ轉(zhuǎn)換技術(shù)和片內(nèi)自校準(zhǔn)控制電路，具有精度高、抗干擾能力強(qiáng)等特性，廣泛應(yīng)用于智能儀表和測(cè)控等領(lǐng)域。AD7703的工作范圍寬（-40~+85℃），其非線性僅為0.0003%，可以很好地滿足系統(tǒng)的需求。圖2是AD7703的典型應(yīng)用電路[10,11]。

圖2 AD7703的典型應(yīng)用電路
Fig.2 The typical application circuit of AD7703

圖2中AVDD、AVSS為模擬正負(fù)電源，DVDD、DVSS為數(shù)字正負(fù)電源，均為±5V，AGND和DGND分別為模擬地和數(shù)字地；BP/UP為輸入信號(hào)極性選擇端，低電平時(shí)為單極性，高電平時(shí)為雙極性；AIN為模擬信號(hào)輸入端，單極性輸入時(shí)允許范圍為0~2.5V，雙極性輸入時(shí)允許范圍為-2.5V~2.5V；VREF為參考電壓輸入端，通常接2.5V基準(zhǔn)電壓；CLKIN為時(shí)鐘輸入端，CLKOUT為時(shí)鐘輸出端，MODE為串行口方式選擇端；當(dāng)MODE接高電平時(shí)為內(nèi)同步，時(shí)鐘頻率由CLKIN和CLKOUT之間所接振蕩器的頻率決定；當(dāng)MODE接低電平時(shí)為外同步，時(shí)鐘信號(hào)從外部輸入到CLKIN，此時(shí)CLKOUT應(yīng)懸空。SLEEP為睡眠工作方式設(shè)置端，DRDY為數(shù)據(jù)輸出準(zhǔn)備信號(hào)，CS為片選端，均為低電平有效；SCLK為串行時(shí)鐘輸入/輸出端，SDATA為串行數(shù)據(jù)輸出端；CAL校準(zhǔn)控制端，CAL為高電平時(shí)啟動(dòng)自校準(zhǔn)；SC1、SC2為系統(tǒng)校準(zhǔn)方式選擇端，可組合選擇AD7703的校準(zhǔn)方式，通常均接地，可實(shí)現(xiàn)芯片的自校準(zhǔn)。

4、測(cè)量結(jié)果與分析

應(yīng)用該溫度采集系統(tǒng)以5次/秒的速度對(duì)密閉容器內(nèi)同一點(diǎn)的水溫進(jìn)行連續(xù)測(cè)量，得到30個(gè)連續(xù)的測(cè)量數(shù)據(jù)如表1所示：

表1 30個(gè)連續(xù)的溫度測(cè)量數(shù)據(jù)

從表1可以看出，在水溫基本不變的情況下，該溫度采集系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果只在小數(shù)點(diǎn)之后第4位波動(dòng)，表現(xiàn)出很好的重復(fù)性。

5、結(jié)論

上述溫度采集系統(tǒng)因?yàn)椴捎昧藴囟认禂?shù)經(jīng)過(guò)精確校準(zhǔn)的鉑電阻作為傳感元件，并對(duì)測(cè)量電路和放大電路進(jìn)行了精心設(shè)計(jì)，所以具有非常良好的穩(wěn)定性。同時(shí)該系統(tǒng)還采用了具有自校準(zhǔn)功能的20位∑-Δ型串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7703來(lái)完成數(shù)據(jù)采集，保證了系統(tǒng)的高分辨率和高準(zhǔn)確度。經(jīng)24小時(shí)連續(xù)測(cè)試表明，該溫度測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量不確定度達(dá)到了0.001攝氏度，已在某型高精度自動(dòng)量熱儀中得到了成功的應(yīng)用。