一種高精度溫度采集系統(tǒng)

1、引言

        在工業(yè)和醫(yī)學等諸多領域，高精度的溫度測量都有著很廣泛的應用。例如在煤礦和火電廠廣泛應用的煤質分析儀中，需要對一定質量的煤燃燒后所導致的一定質量的水的溫度變化進行精確的測量，并根據(jù)水溫的變化幅度對煤的質量進行評估[1,2]。在醫(yī)學上用于生命科學研究和基因診斷的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(tǒng)，其測量精度達到了較高的水準。

2、測量原理

        為了實現(xiàn)高精度的溫度測量，在本系統(tǒng)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(shù)和非線性特性進行了精確校準[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，電橋達到平衡，其輸出電壓為0；當溫度上升時，假設將鉑電阻的阻值隨溫度的變化關系用二階多項式表示，則電橋電路的輸出電壓 與溫度 的關系如下式所示：

 
        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(tǒng)的測量范圍設計為0~100℃時，根據(jù)式（1）可知在此溫度范圍內(nèi)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(jù)式（1），有當溫度測量系統(tǒng)的測量范圍設計為0~100℃時，根據(jù)式（1）可知在此溫度范圍內(nèi)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(jù)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(shù)據(jù)采集電路

        為了保證電壓轉換的精度，系統(tǒng)中采用了20位∑-Δ型串行模數(shù)轉換器AD7703來完成數(shù)據(jù)采集。AD7703由美國ADI公司生產(chǎn)，它采用過采樣∑-Δ轉換技術和片內(nèi)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(shù)字正負電源，均為±5V，AGND和DGND分別為模擬地和數(shù)字地；BP/UP為輸入信號極性選擇端，低電平時為單極性，高電平時為雙極性；AIN為模擬信號輸入端，單極性輸入時允許范圍為0~2.5V，雙極性輸入時允許范圍為-2.5V~2.5V；VREF為參考電壓輸入端，通常接2.5V基準電壓；CLKIN為時鐘輸入端，CLKOUT為時鐘輸出端，MODE為串行口方式選擇端；當MODE接高電平時為內(nèi)同步，時鐘頻率由CLKIN和CLKOUT之間所接振蕩器的頻率決定；當MODE接低電平時為外同步，時鐘信號從外部輸入到CLKIN，此時CLKOUT應懸空。SLEEP為睡眠工作方式設置端，DRDY為數(shù)據(jù)輸出準備信號，CS為片選端，均為低電平有效；SCLK為串行時鐘輸入/輸出端，SDATA為串行數(shù)據(jù)輸出端；CAL校準控制端，CAL為高電平時啟動自校準；SC1、SC2為系統(tǒng)校準方式選擇端，可組合選擇AD7703的校準方式，通常均接地，可實現(xiàn)芯片的自校準。

4、測量結果與分析

        應用該溫度采集系統(tǒng)以5次/秒的速度對密閉容器內(nèi)同一點的水溫進行連續(xù)測量，得到30個連續(xù)的測量數(shù)據(jù)如表1所示：

表1  30個連續(xù)的溫度測量數(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)的測量結果只在小數(shù)點之后第4位波動，表現(xiàn)出很好的重復性。

5、結論

        上述溫度采集系統(tǒng)因為采用了溫度系數(shù)經(jīng)過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行了精心設計，所以具有非常良好的穩(wěn)定性。同時該系統(tǒng)還采用了具有自校準功能的20位∑-Δ型串行模數(shù)轉換器AD7703來完成數(shù)據(jù)采集，保證了系統(tǒng)的高分辨率和高準確度。經(jīng)24小時連續(xù)測試表明，該溫度測量系統(tǒng)的測量不確定度達到了0.001攝氏度，已在某型高精度自動量熱儀中得到了成功的應用。