基于恒流源的多路高精度测温仪的研究

　　1　引　　言

　　温度是自然界最基本的物理量,温度的高精度测量有很多应用场合。如精密加工机床温度测控,直接影响加工工件的加工精度;分析空调的性能时,需要精密测量空间的温度梯度,来分析空调的性能;婴儿保温箱的温度控制精度检测,电炉温度控制精度检测,诸多测量仪器的温度补偿等等领域。本文用Pt1000实现了,15路0~300°范围内的绝对精度为±0.1°温度测量、温度稳定性为±0.05°。

　　2　测量电路设计

　　2.1　温度传感器数学模型

　　温度敏感元件采用铂电阻Pt1000[1],在0 ~630.75℃温度范围内铂电阻阻值与温度关系为:

　　2.2　温度测量电路实现

　　温度测量用的恒流源由AAT3220-1.8 V低压差精密三端恒压源完成,输出端与公共端之间接2KΩ的精密电阻,形成0.9mA的恒流源驱动铂电阻。多路温度检测用CD4067完成通道切换,为了补偿铂电阻变化时对恒流源输出电流的影响,在测量支路中加500Ω的精密电阻进行电流测量,测量结果用于电流变化补偿。A/D转换器采用两片双积分式差分A/D转换器TLC7135[2],一个TLC7135测量铂电阻两端(包括多路开关CD4067的通态电阻)的电压,另一片测量500Ω精密电阻两端的电压值。由于TLC7135的时钟频率用125KHz(用CD4060加2MHz经过8分频),单　　片机的时钟频率用12MHz,因此,A/D转换器的分辨率从二万分之一,提高到十六万分之一(用TLC7135的BUSY端测量温度变化)。

　　用单片机的定时器T0实现TLC7135的BUSY端的高电平脉冲宽度测量,测量公式如下:

　　恒流源的电流随铂电阻的阻值变化有小幅度的变化,影响温度测量精度。用如下的补偿方法,可以去掉电流变化的影响。以通道1为例分析,单片机选择1通道以后,恒流源的电流通过多路开关CD4067加到铂电阻,在铂电阻两端产生电压信号VX,VX的表达式为(忽略多路开关通态电阻的情况下):

　　1号TLC7135通过定时器得到的数字量为NX,2号TLC7135通过定时器得到的数字量为N0,公式(3)和(4)进行除法运算的结果为:

　　从公式(5)中可以看到,已经去掉恒流源的影响,检测的结果只跟铂电阻的变化有关。公式(5)式的结果扩大百万倍以后得到的新变量(因用C51语言的4字节浮点数运算,需要变换成有效的整形数据),定义为YX。

　　用多路开关CD4067的第16通道,补偿多路开关通态电阻的温度特性及负载特性的影响。从CD4067的特性参数中可以看到,芯片电源电压恒定时,通态电阻随输入电压的变化有微小的变化,每个通道的通态电阻也不同,因此进行完全补偿是不可能的,根据一个多路开关芯片内部的通态电阻和温度特性非常接近的特点进行部分补偿是可行的。通过电路原理[3]图1,可以看出单片机选择16通道时,通道中没有接入铂电阻,因此只有多路开关通态电阻为被测对象,根据公式(5)和(6)可以计算出通态电阻的数字量值,对1~15通道温度巡回检测时,每个通道都要进行实时补偿(YX-Y0N,i=1~15),就可以减小多路开关通态电阻的温度特性及负载特性影响,提高了测量仪器的温度稳定性,拓宽了仪器的适用环境。补偿公式如下: