基于微处理器的温度测量非线性校正

　　0　引　　言

　　在工业过程控制中,对温度测量采用的温度传感器均存在非线性问题,影响测量精度。目前采用的其他方法都有其特点,但也有各自的使用限制。例如,集成的数字温度模块具有良好的测量精度,但是受测量范围和环境温度要求等制约往往无法满足环境恶劣的工业现场使用要求。将温度传感器信号远传到远方计算机处理,可以解决这一问题,但是无法满足现场就地温度测量和控制的要求。现在普遍使用的、用于工业过程测量温度模块,其内部电路已经包含非线性校正,可以实现较高的测量精度。但是这类模块使用时往往需要进行跳线选择和电位器调整,从而影响其可靠性和使用寿命。

　　本文采用的非线性校正方法可以很好地解决上述问题,具有一定的推广价值。尤其在嵌入式系统中,利用嵌入式处理器优越的软件功能[1]配合采样电路的合理设计,很容易使该测温技术在工业应用领域产品化。根据这种方法设计出的LD-B10系列数字温度控制器,以PT100为温度传感器配合PIC系列单片微处理器,实现宽范围的温度测量。该产品性能稳定,满足工业级的测量精度、适合工业现场使用要求,并在电力变压器绕组、大型发电机绕组测温等领域获得多年成功的应用。

　　1　产生非线性的主要环节

　　1.1　传感器固有的非线性

　　铂热电阻在-200~0℃的电阻温度关系是:Rt= R0(1+3.9083×10-3t -5.775×10-7t2-4.183×10-12(t-100)t3)(Ω)(1)

　　铂热电阻在0~650℃的电阻温度关系是:Rt= R0(1+3.9083×10-3t-5.775×10-7t2)(Ω)(2)

　　本文讨论的是-4~204℃的测量范围,其电阻温度关系是一条抛物线[2],所以在Rt-t坐标上表示为第一和第二象限的曲线。从图1中可以看出,如果不进行非线性处理,头尾两点形成的直线是:Rt=0.379t+99.96(Ω) (3)

　　如果仅用这条直线来测量,那么在100℃处的误差可达到1.72℃。这个误差已经超过了设计要求,必须通过软件非线性处理来进行补偿。

　　1.2　采样电路的非线性

　　以实际应用中普遍采用的电桥采样电路为例,受Pt100热效应的制约,在工业过程测量中通常选取不大于0.5 mA的电流通过Pt100传感器。其他的采样电路也必须满足这个要求。这样来确定电桥各个元件的参数如图2所示。

　　在理想状态下,R1和Rt1比R3和R4小得多,可以近似地认为I1=I2=0.5 mA。因此有:ΔV =0.5(Rt1-R1) =0.5(Rt1-91)(mV) (4)即ΔV仅与Rt1成线性关系,而与其他参数无关。但是,当测温点在- 4 ~ 204℃变化是,电阻值在98.44~177.31Ω范围变化,即I1是有变小的趋势。当Rt1=177.31Ω时,误差最大。如图3所示,考虑到Rt1变化的影响,有如下关系:ΔV=4.955-5×104/(104+Rt)(V) (5)