一種高精度溫度采集系統

1、引言

在工業(yè)和醫學(xué)等諸多領(lǐng)域，高精度的溫度測量都有著(zhù)很廣泛的應用。例如在煤礦和火電廠(chǎng)廣泛應用的煤質(zhì)分析儀中，需要對一定質(zhì)量的煤燃燒后所導致的一定質(zhì)量的水的溫度變化進(jìn)行精確的測量，并根據水溫的變化幅度對煤的質(zhì)量進(jìn)行評估[1,2]。在醫學(xué)上用于生命科學(xué)研究和基因診斷的PCR熱循環(huán)儀中，也同樣需要對水或油的溫度變化進(jìn)行精確的測量[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，其測量精度達到了較高的水準。

2、測量原理

為了實(shí)現高精度的溫度測量，在本系統中采用了基準電阻值為500Ω的Pt500鉑電阻作為溫度傳感器件，并對其溫度系數和非線(xiàn)性特性進(jìn)行了精確校準[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成的電橋電路中，當溫度為0℃時(shí)，電橋達到平衡，其輸出電壓為0；當溫度上升時(shí)，假設將鉑電阻的阻值隨溫度的變化關(guān)系用二階多項式表示，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。圖1中5V電壓源由精密電壓基準源芯片LT1019產(chǎn)生，其典型溫度系數為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%、溫度系數為5×10-6/℃的高精密線(xiàn)繞電阻構成。

圖1 測量電橋
Fig.1 The measurement electrical bridge

一般情況下有 ， [8,9]。當溫度測量系統的測量范圍設計為0~100℃時(shí)，根據式（1）可知在此溫度范圍內測量電橋輸出電壓的范圍約為0~383.48mV。

從測量電橋電路輸出的電壓信號 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。根據式（1），有當溫度測量系統的測量范圍設計為0~100℃時(shí)，根據式（1）可知在此溫度范圍內測量電橋輸出電壓的范圍約為0~383.48mV。

從測量電橋電路輸出的電壓信號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。根據式（1），有

由式（2）可知，當測量出 后，溫度 可按下式計算得出：

3、數據采集電路

為了保證電壓轉換的精度，系統中采用了20位∑-Δ型串行模數轉換器AD7703來(lái)完成數據采集。AD7703由美國ADI公司生產(chǎn)，它采用過(guò)采樣∑-Δ轉換技術(shù)和片內自校準控制電路，具有精度高、抗干擾能力強等特性，廣泛應用于智能儀表和測控等領(lǐng)域。AD7703的工作范圍寬（-40~+85℃），其非線(xiàn)性?xún)H為0.0003%，可以很好地滿(mǎn)足系統的需求。圖2是AD7703的典型應用電路[10,11]。

圖2 AD7703的典型應用電路
Fig.2 The typical application circuit of AD7703

圖2中AVDD、AVSS為模擬正負電源，DVDD、DVSS為數字正負電源，均為±5V，AGND和DGND分別為模擬地和數字地；BP/UP為輸入信號極性選擇端，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MODE接高電平時(shí)為內同步，時(shí)鐘頻率由CLKIN和CLKOUT之間所接振蕩器的頻率決定；當MODE接低電平時(shí)為外同步，時(shí)鐘信號從外部輸入到CLKIN，此時(shí)CLKOUT應懸空。SLEEP為睡眠工作方式設置端，DRDY為數據輸出準備信號，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為串行數據輸出端；CAL校準控制端，CAL為高電平時(shí)啟動(dòng)自校準；SC1、SC2為系統校準方式選擇端，可組合選擇AD7703的校準方式，通常均接地，可實(shí)現芯片的自校準。

4、測量結果與分析

應用該溫度采集系統以5次/秒的速度對密閉容器內同一點(diǎn)的水溫進(jìn)行連續測量，得到30個(gè)連續的測量數據如表1所示：

表1 30個(gè)連續的溫度測量數據

從表1可以看出，在水溫基本不變的情況下，該溫度采集系統的測量結果只在小數點(diǎn)之后第4位波動(dòng)，表現出很好的重復性。

5、結論

上述溫度采集系統因為采用了溫度系數經(jīng)過(guò)精確校準的鉑電阻作為傳感元件，并對測量電路和放大電路進(jìn)行了精心設計，所以具有非常良好的穩定性。同時(shí)該系統還采用了具有自校準功能的20位∑-Δ型串行模數轉換器AD7703來(lái)完成數據采集，保證了系統的高分辨率和高準確度。經(jīng)24小時(shí)連續測試表明，該溫度測量系統的測量不確定度達到了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用。