多通道通用智能温度测量仪表的设计

　　1　引　言

　　热电阻和热电偶是热工测量中广泛应用的一次测量元件。研究使用热电阻和热电偶的低成本、高性能的智能温度仪表是过程控制领域的研究课题。目前报道的温度测量装置大都是确定的测量元件,并且使用时必须与通道要求一致,这样就使得仪表的通用性和灵活性变差。由于现场情况不同,用户希望测量方式可根据实际测量信号来确定。另一方面,仪表的精度与测量和检测放大电路的性能密切相关,必须消除干扰造成的影响。此外由于热电阻和热电偶的非线性,以往大都是采用软件查表或两点线性化的方法,当要求线性化精度很高且测量种　　类多时需要大量的存储单元。为此,本文设计了一个多通道(15路)的通用智能温度测量装置。

　　2　硬件结构

　　仪表的硬件电路原理框图如图1所示。

　　2.1　输入测量、放大及转换电路

　　2.1.1　输入测量通道

　　通常采用电流法进行电阻测量。工业上热电阻常采用三线制接法,这样可以消除连接导线电阻的影响,如图2、图3所示。当热电阻的连接线采用相同的材质、线径和长度时,可认为其电阻相同。图2中,两个基准电流源I和I′相等,A、B两点间的电压差ΔU与线路电阻r无关,当放大电路采用单极性输入时,需要较多的电源,并且比图3需要更多的通道切换开关。在图3中,检测信号ΔU同样与线路电阻r无关。此种方法由于各个通道测量信号的参考点相同,因而需要较少的电源和通道切换开关。

　　对于恒流源要求有良好的稳定性,电流的大小,不应使热电阻发热,一般在5 mA以下,电流大时,抗干扰性能好,但驱动电流功率可能产生附加温升,从而产生额外的偏差。

2.1.2　通道切换电路、放大电路及压/频转换电路

　　当测量通道数目较多时,为使测量电路简单,采用公共的基准电流,为此在电路中需要采用多个切换开关达到检测指定通道的目的。下面以图3的方式为例说明如下,见图4,电路中采用三片CD4067模拟通道切换开关K1、K2和K3,其中K1和K2仅当测量通道为电阻性质时使用。借用CD4067的禁止信号EN控制开关K1和K2的接通与断开,由单片机的I/O输出地址信号ADDA、ADDB、ADDC、ADDD(采用二进制编码对CD4067的16路通道进行选择)和EN信号。在测量通道为电势性质信号时,K1和K2禁止工作,测量信号直接由K3进入放大电路,由于放大电路输入阻抗很高,可以不计线路电阻及开关上的压降。在测量电阻时, K1和K2中选通的通道开关闭合,使两路电流信号构成通路,在测量电阻上产生电压信号经K3后送入放大电路。在计算机软件中,对每路通道指定通道的测量性质(电阻、电势)即可。CD4067共有16路通道,通道0用作标准通道,接一250Ω的标准电阻,用于仪表的校准和补偿。该通道切换电路如图4所示。