一種高精度溫度采集系統
1、引言
本文引用地址:http://dyxdggzs.com/article/163804.htm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。
評論