一款小型化、高精度的鉑電阻溫度計的設(shè)計

0 引言

計量檢定儀器主要用來檢定和標(biāo)定日常科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)中所使用儀器的傳感器是否符合使用標(biāo)準(zhǔn)。從本質(zhì)上來講，計量檢定儀器是精度和分辨率都要高于日常所使用儀器的標(biāo)準(zhǔn)儀器。目前，承擔(dān)大量工業(yè)企業(yè)和部分科研院所計量檢定工作的省級的計量檢定部門使用的鉑電阻檢定和校準(zhǔn)裝置的準(zhǔn)確度約為0.1 度，分辨率為0.01 度。隨著部分企業(yè)的產(chǎn)品研發(fā)或科學(xué)研究過程中對溫度測量的要求越來越高，目前的檢定裝置的測量精度已經(jīng)不能滿足要求，而且，檢定設(shè)備結(jié)構(gòu)龐大、復(fù)雜，難以作為可傳遞的計量檢定裝置來為用戶提供上門的高精度測溫或檢定服務(wù)。為了滿足科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)對溫度測量精度提高以及對鉑電阻計量檢定溫度計小型化、易傳遞的需求，本文提出一種基于TI 公司ADS1247 芯片的鉑電阻溫度計的設(shè)計方案。

1 測量原理

將鉑電阻隨溫度變化而變化的電阻值轉(zhuǎn)換為電壓信號的方式通常有兩種：電橋法和恒流源法。由于電橋法存在不可避免的非線性，且需要多個電阻進(jìn)行匹配，所以會在測量中引入系統(tǒng)誤差。而恒流源法具有結(jié)構(gòu)簡單、線性度好的特點，但是，由于所采用恒流源輸出電流波動，會在測量過程中引入隨機(jī)誤差，通常采用在測量通路中串聯(lián)一個標(biāo)準(zhǔn)電阻的比例測量形式來消除恒流源的波動。如果恒流源的輸出是穩(wěn)定的，那么就可以不用串聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)電阻，直接測量鉑電阻的電壓降來進(jìn)行溫度測量。

ADS1247 是TI 公司推出的一種高性能、高精度24 位模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器。ADS1247 單片集成一個低噪聲可編程增益放大器、一個精密(ΔΣ)ADC 與一個單周期低通數(shù)字濾波器和一個內(nèi)部時鐘。內(nèi)置10mA 低漂移電源參考和兩個可編程電流型數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器(DAC)。通過程序設(shè)置，在輸出電壓裕度內(nèi)，DACS 可為外部提供多種強(qiáng)度的恒定電流，電流強(qiáng)度可被設(shè)置為50uA 、100 uA、250uA 、500uA 、750uA 、1000uA 、1500uA .其輸出電流的絕對誤差與輸出電流強(qiáng)度有關(guān)，強(qiáng)度越小，誤差越小。電流隨溫度波動約為100ppm/℃。

ADS1247 還具有一個可編程放大器(PGA)，放大倍數(shù)可為1,2,4,8,16,32,64,128.采用ADS1247 進(jìn)行測溫的原理如圖1 所示：

在圖1 中，使用匹配電阻的目的是使恒流源工作在最佳的線性區(qū)。對ADS124 的配置和測試數(shù)據(jù)的讀取由單片機(jī)通過SPI 總線進(jìn)行。

2 實施方法及實驗

當(dāng)ADS1247 的采用內(nèi)部參考電壓，數(shù)據(jù)采樣率為5SPS,PGA 放大倍數(shù)為128 倍時，其內(nèi)部的噪聲電壓峰峰值可低于0.05uA .Pt100 在-30-300 ℃ 范圍內(nèi)的阻值變化范圍是88.22-212.05 歐姆。所以，為了達(dá)到最低噪聲的條件，應(yīng)配置ADS1247,使其輸出的恒定電流為100uA .為了使恒流源輸出的恒流具有較高的穩(wěn)定性和線性度，其引腳的輸出電壓范圍應(yīng)在3.5-4V 的范圍內(nèi)，所以，要為pt100 串聯(lián)一個阻值為37.4K 歐姆的電阻。ADS1247 采用內(nèi)部參考電壓，模擬供電電壓(AVDD)和數(shù)字供電電壓(DVDD)均為5V,兩者之間以0 歐姆電阻分隔。所有與模擬地(AGND)連接的引腳均采用單端接地，模擬地與數(shù)字地(DVDD)之間也采用0 歐姆電阻隔離。

單片機(jī)接收到鍵盤輸入的測量指令后，啟動ADS1247,并對ADS1247 進(jìn)行配置。單片機(jī)延時100ms 后，開始發(fā)起一次測量，采集30 個數(shù)據(jù)，根據(jù)Pt100 的分度表，以每一攝氏度所對應(yīng)的電壓范圍為一個插值區(qū)間，在該范圍內(nèi)以萬分之一攝氏度為遞進(jìn)單位進(jìn)行線性插值。將插值后得到的溫度數(shù)據(jù)按采集的時間先后順序，分成3 個組，每組10 個數(shù)據(jù)。根據(jù)(1)式，計算每組內(nèi)各溫度數(shù)據(jù)的方差和。

方差反映了數(shù)據(jù)波動的程度，在三組數(shù)據(jù)中，選擇方差和最小的一組數(shù)據(jù)，也就是測量值波動量最小的一組作為有效測試數(shù)據(jù)。進(jìn)而，選擇該組數(shù)據(jù)內(nèi)方差最小的測試數(shù)據(jù)作為最終的測量值。

系統(tǒng)整機(jī)尺寸可控制在80×80 毫米以內(nèi)。以±15V 的直流穩(wěn)壓電源供電，在測溫精度為0.01 ℃、分辨率為0.001 ℃的低溫和恒溫油槽內(nèi)進(jìn)行測試實驗。在-30-300℃范圍內(nèi)進(jìn)行100 個溫度點的測試，通過分析測試數(shù)據(jù)，最大誤差不超過0.05℃，測試分辨率最大為0.004℃。

3 結(jié)論

ADS1247 片上集成的恒流源、可編程放大器(PGA)和24位的AD 轉(zhuǎn)換器能夠為基于鉑電阻的溫度測量提供優(yōu)良的硬件支撐。依據(jù)方差最小原則處理溫度數(shù)據(jù)能夠進(jìn)一步提高溫度測量的精度。所設(shè)計的鉑電阻溫度計體積小、精度高，方便傳遞。