基于虚拟仪器技术的高精度测温仪

　　0　引言

　　在温度计量的量值传递和生物医学工程、精细化工的高精度温度测量中,标准铂电阻温度计是主要的测量仪器。然而,这样的测量往往需要依托使用高精度测温电桥才能实现,不仅测量不直观,操作复杂,而且也极其昂贵。因此,研究开发一种使用方便、性价比高的高精度测温仪是十分必要的。

　　1　硬件部分

　　测温仪主要由铂电阻测量电路、运算放大A/D转换电路等组成,其组成框图如图1所示。

　　测温仪的工作过程如下:温度信号由标准铂电阻温度计转换成电阻值,经电阻测量、运算放大、A/D转换等信号调理后进入PC机,在PC机上运行的LabVIEW程序对输入信号进行查表、线性插值、数字滤波、数字校准等处理后,在PC机上显示实时测量值和曲线,并加以自动存储记录。

　　1. 1　铂电阻值测量原理

　　采用恒流源和参考电阻的四线制测量方法来测量铂电阻的阻值。如图2所示,Rn是参考电阻,Rt是被测铂电阻,恒定电流I0流过Rn、Rt,产生供A/D转换器采样的电压信号。经过对Vn和Vt的2次测量,可消除电流的影响,得:

   铂电阻在不同的金属导线之间有若干接点,其热电偶效应可产生接触电动势。设计中采用反向电流法进行2次独立测量,接触电动势引起的误差在电流反向的2次测量中是相反的,将2次结果取均值即可以消除误差。2次测量得到Vn1、Vt1、Vn2和Vt2,假定恒流源在切换时间内保持不变,则有：

　　由式(1)、式(2)可见,为保证Rt的高精度测量,须保证A/D转换器和恒流源的短期稳定性,以及参考电阻Rn的长期稳定性。

　　1. 2　AD7714模数转换电路

　　24 bit位模数转换器AD7714是一个完整的用于低频测量应用的模拟前端。但环境温度变化、噪声干扰和系统设计等因素都会影响到AD7714的工作稳定性,其中外界环境温度的变化是影响其工作稳定性的主要因素。由于AD7714本身具有校准功能,因而在高精度测量中可通过对其片内寄存器的值进行设置,使器件工作在buffer=0的非缓冲工作模式下的背景校准方式,以消除温度漂移和零点误差带来的影响。非缓冲方式时器件输入端的低阻抗会给图2所示的电阻测量回路带来并联影响,为避免这种影响,在图2所示回路的Vn,Vt端接入高输入阻抗的运算放大器作为缓冲。

　　1. 3　比例法恒流源

　　图2所示电阻测量回路中的恒定电流I0由图3所示恒流源电路产生。由图可见,由运算放大器的虚短性质,恒定电流I0=Vr/R14.

　　Vr是A/D转换器的基准源电压。Vr=2_·5 V,R14=4_·1 kΩ时,I0为600μA,小于铂电阻的自热电流。由于恒流源与A/D共用了基准源,则由基准源的噪声波动而产生的恒流源误差和不稳定性将得以抑制。