Pt100热电阻线性测温装置.docx
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Pt100热电阻线性测温装置
目录
摘要3
ABSTRACT4
1概述5
1.1单片机的发展及在温度测量中的应用5
1.2温度传感器的发展和应用5
1.2.1温度传感器的分类6
1.2.2温度传感器的发展6
1.3铂电阻在温度测量中的应用及存在问题7
1.3.1铂电阻的非线性分析8
1.3.3铂电阻的三线制接法8
1.3.2铂电阻非线性校正方法9
2系统硬件设计11
2.1硬件电路构成11
2.2微型计算机的选择11
2.3热电阻的选择12
2.4热电阻测量及数据处理12
2.4.1电阻测量原理及电路图12
2.4.2AD58014
2.5放大单元16
2.5.1OP0716
2.5.2ICL765016
2.5.3放大部分电路图17
2.6A/D转换部分17
2.6.1AD57417
2.6.2AD574与89C51的接口电路19
2.7串口输出单元19
2.7.1MAX22019
2.7.2串行输出电路20
2.8LED选择及显示电路21
2.8.1LED数码管21
2.8.2显示接口电路22
2.9电源设计22
3系统软件设计23
3.1主程序流程图24
3.2A/D转换子程序25
3.3串行输出子程序25
3.4显示子程序25
总结27
致谢28
参考文献29
附录30
附录1电路整体原理图30
附录2.程序31
Pt100热电阻线性测温装置的研制
摘要
热电阻具有测温范围大、稳定性好和耐氧化等特点,在低温测量中占有重要的地位。
本文介绍了一种利用89C51单片机并采用热电阻的线性温度测量装置。
该装置由AD580、标准电阻、放大器、AD转换器、数据采集与处理系统、数码显示、串行输出端口等组成。
利用恒流源和12位A/D转换器设计温度测量电路,完全消除了传统的不平衡电桥的非线性误差,减小热电阻的接触电阻和引线电阻对测量误差的影响。
在程序存储器EPROM中存放电阻-温度分度表,采用信号比较的方式求出高精度的热电阻值,再根据热电阻值的大小查线性表求取对应的温度值,实现了真正意义上的线性化,大大减小了放大器温漂和非线性的影响,并且实现了热电阻全温度范围的温度测量。
该方法具有简单、实用、测量精度高、抗干扰能力强等特点[1]。
关键词:
热电阻;温度测量;单片机;数码显示;串行输出;非线性;查表
ABSTRACT
Thermalresistorischaracterizedbyhavinglargerangeoftemperaturemeasurement,stabilityandanti-oxidationetc.Itisimportantpositioninlowtemperaturemeasurement.Thepaperintroducesalineartemperature-measuringdevicebasedonplatinumthermalresistor,using89C51single-chipmicrocomputer.ThedeviceconsistsofAD580,resistor,amplifier,ADconverter,datasamplingandprocessingsystem,digitalplay,serialoutputportandsoon.[2]Inordertoeliminatenon-linearityerroroftraditionimbalanceelectricbridge,contactresistanceanddown-leadresistance,thetemperaturemeasurementcircuitisdesignedwithconstantcurrentsourceand12bitsA/Dconvertor.Theresistance-temperaturetableisputintoEPROM.Themethodofsinglecomparingisusedtofindthermalresistancevaluewithhighaccuracy;thenthevalueismappedtothecorrespondingtemperaturebylookingintoreferencetable.Therefore,linearisimplemented,whichgreatlyreducestheimpactoftemperature-driftandnon-linearityinamplifier.Inaddition,thedeviceimplementsthemeasuringoffulltemperaturerangeofthereferencetable.Thismethodhasmanycharacteristicssuchassimplicity,practicality,highprecision,stronganti-interferenceetc.
Keywords:
thermalresistor,temperaturemeasurement,single-chipmicrocomputer,digitaldisplay,serialoutput,non-linearprocess,look-upreferencetable
1概述
温度测量已是很成熟的技术,温度敏感元件既有传统的热电阻、热电偶、热敏电阻等温度传感器,又有现代的集成温度传感器、数字温度传感器,还有超高温的光学温度传感器,其中热电阻测温方法以其测量范围大、性能稳定、高精度、高灵敏度、安装使用方便等特点在中、低温测量中占有重要的地位。
但热电阻输出与温度之间的非线性特性给精确测量带来诸多不便。
热电阻测温时信号处理常用的方法是采用桥式测量线路、热电阻线性化处理等,其缺点是存在引线电阻。
引线电阻随温度变化会产生附加误差,线性化处理比较繁琐且只能减少误差,而正反馈法非线性也依然比较严重。
本文论述了一种基于Pt100的线性测温装置,该装置在单片机的控制下,先精确测出热电阻值Rt,在由Rt的值查热电阻分度表得出温度值,然后由串行端口输出,实现了真正意义上的线性化,且实现了热电阻全温度范围的测量,并获得了较高的测量精度。
1.1单片机的发展及在温度测量中的应用
单片机的应用几乎渗透到人类生活的每一个角落,对人类生活在不知不觉中产生巨大的影响。
计算机控制已经越来越多的参与到自动控制领域,使各种控制仪表逐渐向智能化、集成化发展,出现了大批智能控制仪表,不但使过去以分立元件为主的自动控制仪表被以智能元件为主的智能仪表所代替,而且性能上也有了大幅度的提高,可以实现直接的数字化输出,与现场总线直接相连,实现真正的智能化、数字化、单元化,配合工业PC以及DCS系统,在工业控制领域发挥了极其重要的作用。
单片机技术在各个领域正得到越来越广泛的应用,MCS-51系列单片机以其优越的性能,成熟的技术及高可靠性和高性能价格比,迅速占领了工业测控和自动化工程应用的主要市场,成为国内单片机应用领域中的主流。
温度是工业控制中主要的被测对象之一,特别是在冶金、化工、建材、食品、机械、石油等工业中,具有举足轻重的作用。
对于不同场所、不同工艺、所需温度高低、精度不同,则采用的测温元件、测温方法以及对温度的控制方法也将不同;产品工艺不同、控制温度的精度不同、时效不同,则对数据采集的精度和采用的控制算法也不同,因而,对温度的控制方法多种多样。
随着电子技术和微型计算机的迅速发展和广泛的应用。
利用微机对温度进行测控的技术,也便随之而生,并得到日益发展和完善,越来越显示其优越性[3]。
1.2温度传感器的发展和应用
温度参数是目前工业生产中最常用的生产过程参数之一,因此研究温度的测量方法和装置具有重要的意义。
实用的温度传感器种类很多,但在工业部门多采用辐射温度计及热电偶。
国外以辐射测温为主(占2/3),国内则多采用热电偶和热电阻(占98%)。
国外辐射温度计的蓬勃发展对国内影响很大,近几年国内辐射温度计明显呈上升趋势。
1.2.1温度传感器的分类
温度传感器按传感器与被测介质的接触方式可分为两大类:
一类是接触式温度传感器,一类是非接触式温度传感器。
接触式温度传感器的测温元件与被测对象要有良好的热接触,通过热传导及对流原理达到热平衡,这时的示值即为被测对象的温度。
这种测温方法精度比较高,并可测量物体内部的温度分布。
但对于运动的、热容量比较小的及对感温元件有腐蚀作用的对象,这种方法将会产生很大的误差。
非接触测温的测温元件与被测对象互不接触。
常用的是辐射热交换原理。
此种测温方法的主要特点是可测量运动状态的小目标及热容量小或变化迅速的对象,也可测量温度场的温度分布,但受环境的影响比较大。
1.2.2温度传感器的发展
温度传感器,使用范围广,数量多,居各种传感器之首。
目前,国际上新型温度传感器正从模拟式想数字式、集成化向智能化及网络化的方向发展。
温度传感器的发展大致经历了以下3个阶段:
a.传统的分立式温度传感器——热电偶传感器
热电偶传感器是工业测量中应用最广泛的一种温度传感器,它与被测对象直接接触,不受中间介质的影响,具有较高的精度;测量范围广,可从-50~1600℃进行连续测量,特殊的热电偶如金铁——镍铬,最低可测到-269℃,钨——铼最高可达2800℃。
b.模拟集成温度传感器
集成传感器是采用硅半导体集成工艺制成的,因此亦称硅传感器或单片集成温度传感器。
模拟集成温度传感器是在20世纪80年代问世的,它将温度传感器集成在一个芯片上、可完成温度测量及模拟信号输出等功能。
模拟集成温度传感器的主要特点是功能单一(仅测量温度)、测温误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等,适合远距离测温,不需要进行非线性校准,外围电路简单。
目前,光纤测温技术主要有全辐射测温法、单辐射测温法、双波长测温法及多波长测温等 。
光纤技术的发展,为非接触式测温在生产中的应用提供了非常有利的条件。
光纤测温技术解决了许多热电偶和常规红外测温仪无法解决的问题。
而在高温领域,光纤测温技术越来越显示出强大的生命力。
全辐射测温法是测量全波段的辐射能量而得到温度,周围背景的辐射、介质吸收率的变化和辐射率εT的预测都会给测量带来困难,因此难于实现较高的精度。
单辐射测温法所选波段越窄越好,可是带宽过窄会使探测器接收的能量变得太小,从而影响其测量准确度。
多波长辐射测温法是一种很精确的方法,但工艺比较复杂,且造价高,推广应用有一定困难。
双波长测温法采用波长窄带比较技术,克服了上述方法的诸多不足,在非常恶劣的条件下,如有烟雾、灰尘、蒸汽和颗粒的环境中,目标表面发射率变化的条件下,仍可获得较高的精度
半导体吸收式光纤温度传感器是一种传光型光纤温度传感器。
所谓传光型光纤温度传感器是指在光纤传感系统中,光纤仅作为光波的传输通路,而利用其它如光学式或机械式的敏感元件来感受被测温度的变化。
这种类型主要使用数值孔径和芯径大的阶跃型多模光纤。
由于它利用光纤来传输信号,因此它也具有光纤传感器的电绝缘、抗电磁干扰和安全防爆等优点,适用于传统传感器所不能胜任的测量场所。
在这类传感器中,半导体吸收式光纤温度传感器是研究得比较深入的一种。
半导体吸收式光纤温度传感器由一个半导体吸收器、光纤、光发射器和包括光探测器的信号处理系统等组成。
它体积小,灵敏度高,工作可靠,容易制作,而且没有杂散光损耗。
因此应用于象高压电力装置中的温度测量等一些特别场合中,是十分有价值的。
c.智能温度传感器
智能温度传感器(亦称数字温度传感器)是在20世纪90年代中期问世的。
它是微电子技术、计算机技术和自动测试技术(ATE)的结晶。
目前,国际上已开发出多种智能温度传感器系列产品。
智能温度传感器内部包含温度传感器、A/D传感器、信号处理器、存储器(或寄存器)和接口电路。
有的产品还带多路选择器、中央控制器(CPU)、随机存取存储器(RAM)和只读存储器(ROM)。
智能温度传感器能输出温度数据及相关的温度控制量,适配各种微控制器(MCU),并且可通过软件来实现测试功能,即智能化取决于软件的开发水平。
1).数字温度传感器。
随着科学技术的不断进步与发展,温度传感器的种类日益繁多,数字温度传感器更因适用于各种微处理器接口组成的自动温度控制系统具有可以克服模拟传感器与微处理器接口时需要信号调理电路和A/D转换器的弊端等优点,被广泛应用于工业控制、电子测温计、医疗仪器等各种温度控制系统中。
其中,比较有代表性的数字温度传感器有DS1820、MAX6575、DS1722、MAX6635等。
2).智能温度传感器发展的新趋势
(1)提高测温精度和分辨力
智能温度传感器,采用的是8位A/D转换器,其测温精度较低,分辨力只能达到1℃。
目前国外已相继推出多种高速度、高分辨力的智能温度传感器,所用的是9~12位A/D转换器,分辨力一般可达0.5~0.0625℃。
(2)增加测试功能
温度传感器的测试功能也在不断增强。
例如,DS1629型单线智能温度传感器增加了实时日历时钟(RTC),使其功能更加完善。
DS1624还增加了存储功能,利用芯片内部256字节的E*EPROM存储器,可存储用户的短信息。
另外,智能温度传感器正从单通道想多通道的方向发展,这为研制和开发多路温度测控系统创造了良好条件。
1.3铂电阻在温度测量中的应用及存在问题[4,5]
热电阻传感器主要用于中低温度(-200℃~+650℃或850℃)范围的温度测量。
常用的工业标准化热电阻有铂热电阻和铜热电阻。
铂电阻具有适用范围广、测量范围大、稳定性高、重复性好、价格低廉、使用方便等优点,成为目前工业和实验室中温度测量应用最广泛普遍的传感元件之一。
按准确度等级,铂电阻温度计可分为标准铂电阻温度计和工业铂电阻温度计。
标准铂电阻温度计被ITS-90国际温标采用,作为1318033K~961178℃温域内的内插标准仪器。
工业铂电阻温度计的使用温度范围是-200~+850℃。
在各种智能仪表中,对于铂电阻测温,典型的用法是用不平衡电桥将铂电阻随温度变化的电信号输出,再经放大和A/D转换后送单片机进行运算。
其原理是应用铂电阻随温度变化阻值发生变化的测温原理,将待测温度量的变化转化为电阻的变化,再进一步通过电桥电路转换为电量的变化。
但是其阻值与温度之间的关系为非线性特性,因而为了保证一定的测量准确度,在实际使用中应进行线性化处理。
另外,传感器到测量仪表之间的引线电阻处理不当将带来测量误差。
当被测温度点可能远离测量仪器所处的控制室,从现场到控制室引线所经受的环境温度影响难以估计,因此应采取一定的技术措施消除引线电阻对测量的影响。
1.3.1铂电阻的非线性分析[6,7]
按照国际电工委员会的铂热电阻技术标准,铂电阻Pt100在0~650℃范围内的符合ITS-90的国际分度表函数R(t)可用下式表示:
Rt=R0(1+At+Bt2) (1-1)
其中Rt,R0分别是t℃和0℃时的铂电阻阻值,A=3.90802×10-3℃1,B=-5.80195×10-7℃2。
该分度函数的特点是温度覆盖范围广、精度高,但随着温度的升高,铂电阻的非线性越来越严重.可见,在0℃~650℃测温范围内存在非线性项Bt2,且为负值,因而电阻的变化率随着温度的升高而下降。
电阻随温度变化的斜率为:
dRt/dt=R0(A+2Bt) (1-2)
斜率的变化为:
d2Rt/dt2=2R0B=-2×100×5.80195×10-7≈-1.2×10-4(Ω/℃2) (1-3)
可同Pt100温度斜率的变化率随温度的升高以-1.2×10-4Ω/℃2的速率下降,是单调上凸特性,如图所示。
图1-2铂电阻的非线性特性曲线
上图中曲线①为Pt100特性曲线,曲线②为线性化的理想直线。
设被测温度范围为:
0℃~800℃,则曲线2是以曲线1的0℃与800℃作为起点与终点所连的直线段,即线性化的理想电阻—温度特性。
如不进行非线性校正,非线性误差在曲线1与2相交中点处(400℃)以最大值出现,即
σmax=R0(1+400A+4002B)-[(400/800)(R800-R0)+R0] (1-4)
在曲线1和曲线2相交两点的中间处,即t=400℃时铂电阻的非线性误差最大,代入上式可得:
σmax=5.815Ω,5.815Ω的变化量相当于Pt100铂电阻在16℃左右的变化量,即在0℃~800℃的测温范围内,最大非线性误差可达2%左右,相当可观。
因此,在测温仪表中必须对非线性化问题进行线性化处理。
1.3.3铂电阻的三线制接法
四线制铂电阻测温当然是消除引线影响的最佳方案,但对多路测温而言成本太高,工业上一般采用折衷的三线制铂电阻测温方案[8]。
三线制接法补偿即将连接热电阻的两根导线分别置于两个桥臂中,当环境温度变化而使导线电阻值改变时它的影响得到抑制。
由于每一路可减少一根导线,且对电路参数的调试要求不高,补偿了环境温度对测量的影响,而测量电路所用的均为普通器件。
由电路知:
(1-5)
图1-3铂电阻的三线制接法
式中:
Rt为温度t时铂电阻阻值;RB为初始温度t0时铂电阻阻值,RB=Rt0,rt为铂电阻引线电阻。
当rt因环境影响变为rt1时有:
(1-6)
(1-7)
以长100m、截面为1mm2铜导线为例,其电阻为
。
若引线所处环境温度在20℃基础上变化±20℃(平均值)则有:
=
(1-8)
式中:
为铜电阻品均温度系数。
显然不论用硬件还是软件线性化处理,铂电阻引线与环境温度变化带来的影响使不平衡电桥电路无法满足高精度测温要求。
因此,本设计提出了相似的恒流源电阻/电压转换三线制铂电阻测量电路。
这在后面作详细叙述。
1.3.2铂电阻非线性校正方法
硬件校正法就是构造一网络使输出信号是温度的线性函数。
如果将输出电压一部分反馈回来,使供电电流增加,就能有效地提高输出电压,使之对温度变化呈线性关系,显然对于铂电阻,必须是正反馈,即正反馈法校正铂电阻非线性[9,10]。
图1-4有源线性电桥
具体形式一般是对不平衡单臂电桥的桥臂引入正反馈,如图1-4为一有源单臂电桥。
正反馈的引入有两种方式,第一种方式是将与输出成反比的信号引入到桥臂a点,而形成正反馈,如图1-5(a)所示电路。
第二种方式是将与输出成正比的信号引入到桥臂b点而形成正反馈,如图1-5(b)所示。
必须指出,对图a与图b电路各参数值设计要求很严格,反馈量的轻微变化对其输出的影响就会很大,且很易发生自激而影响正常测量。
(a)(b)
图1-5加入正反馈的电路
在使用微机场合,用软件方法对铂电阻进行非线性校正不但节省大量的硬件开支,使侧量电路简单,而且精度也可提高。
线性插值法就是把非线性函数红幻的曲线分成若干段,然后把相邻两段用直线连结起来,用此直线代替相应曲线。
线性插值法按插值基点选取方法不同分为两种等距离分段法和非等距离分段法。
2系统硬件设计
2.1硬件电路构成
硬件电路由信号处理单元、放大单元、数据采集及处理单元、串行输出单元、电源电路等组成。
系统组成框图如下图1所示:
图2-1硬件组成原理方框图
2.2微型计算机的选择
本系统选用AT89C51作为CPU。
AT89C51是一种低功耗、高性能的片内4KB快闪可编程/擦除只读存储器的8位CMOS微控制器,其内部有4KB的EEPROM,。
AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案.。
三级程序存储器锁定、128*8位内部RAM、32可编程I/O线、两个16位定时器/计数器、5个中断源、可编程串行通道、低功耗的闲置和掉电模式、片内振荡器和时钟电路。
利用89C51串行输出工作方式,使89C51的利用率大大提高,外部电路得以简化。
89C51可直接与键盘进行扫描读数,可直接用串/并行转换模块74LS164驱动LED显示温度值。
因其利用率高,负载重,后向电路只需加一块通向驱动器即可正常工作。
在串行传输数据时,频率可达到1MHz,对温度的显示完全达到测控精度要求。
与MCS-51微控制器产品系列兼容,使用高密度、非易失存储技术制造,存储器可循环写入/擦除1000次。
AT89C51的引脚与8031相同。
因此,不需要扩展即能满足要求[11]。
2.3热电阻的选择
热电阻温度传感器是利用导体或半导体的电阻率随温度的变化而变化的原理制成的。
铂虽属贵重金属但具有耐高温、使用寿命长,温度灵敏度高,对温度变化反应速度快,同时电阻温度特性好,便于分度和读数等特点因此采用铂热电阻作为温度测量元件,其型号为Pt100,测量范围为-200~+650℃。
Pt100型铂热电阻在0℃时的阻值为100Ω,200℃时的阻值在170Ω左右。
2.4热电阻测量及数据处理
测量电路由热电阻Rt、AD580、标准电阻R1、多路模拟开关U1和U2等组成。
图中r是热电阻引线等效电阻。
标准电阻R1用锰铜丝绕制而成,性能稳定。
温度的测量和控制主要取决于温度测量精度,因此,为了保证精度,从硬件采用了三个方面的措施:
第一,测量中传感器的连接采用新的三线制方法,补偿由导线引起的误差;第二,选用高精度低漂移运算放大器OP07作为运算放大的电路,第三,测量电路采用恒流源供电。
AD580用作标准电流源,其输出电流I经多路模拟开关U1分别由四个支路输出,在R1上形成标准校准电压信号U01、在热电阻R1上形成输入信号U02,在引线电阻2r上形成引线电阻补偿信号U03,在接地线上形成零点校正信号U04。
为了提高测量精度,电路设计时让四个支路负载电阻尽量相同。
热电阻采用三线制连接,三条引线敷设环境和长度相同。
如图2-3所示[12]。
2.4.1电阻测量原理及电路图
图2-2 测量原理图
见图2-2,U1、U2为多路模拟开关,I、R0、R1、A、AD分别为标准电流、被测电阻、标准电阻、放大器、AD转换器,U01、U02分别为标准校准电压信号和被测电压信号,设定一应的AD采样值分别为S1、S2,U01和U02由电流源I流过电阻R1和R0支路获得,U01用于对放大器和采样通道校准。
在单片机控制下,U1和U2的通道IN1导通时,有
(2-1)
上式中
为
采样时放大转换通道的等效转换系数。
当U1和U2的通道IN0导通时,有
(2-2)
上式中
为
采样时放大转换通道的等效转换系数。
将式(2-2)与式(2-1)比较,有
(2-3)
因为有一个测量周期是在极短的时间内完成的,所以,可以认为
,则式(2-3)为
(2-4)
整理的
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