一种实用的热电阻测温方法

资源类型:pdf 资源大小:18.00KB 文档分类:工业技术 上传者:闫勇

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【作者】 黄江平 

【关键词】热电阻 温度测量 单片机 

【出版日期】2005-01-18

【摘要】热电阻具有测温范围大、稳定性好和耐氧化等特点,低温测量中占有重要的地位。本文介绍了一种利用8031单片机并采用热电阻进行温度测量的硬件电路及软件设计方法。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影响。在程序存储器EPROM中存放电阻-温度分度表,被测温度是通过软件查表及公式计算得到的。该方法具有简单、实用、测量精度高、抗干扰能力强等特点。

【刊名】科技广场

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0引言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高精度、高灵敏度等特点在中、低温测量中占有重要的地位。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。下面介绍一种实用的热电阻测温方法并结合硬件电路和软件设计进行具体分析。1硬件电路设计为了减小热电阻的接触电阻和引线电阻的影响,利用恒流源设计了热电阻测量电路。从测温现场到A/D 转换之间的信号处理电路如图一所示。为了保证A/D 转换的精度, 本次设计选用了具有12位二进制输出、极性和过量程指示及自调零功能的双积分A/D转换器ICL7109,并采用MCS-51系列8031单片机。图一中,Rt、R2半桥的电流I1是由串联调整恒流源提供的稳定电流,Rt、R2半桥通过电压比较器IC1B 与R3、R4半桥相互隔离,使电流I1与R3、R4半桥的电流I2无关,但两半桥的电压相等(Uac=Uae)。IC1C与IC1D组成两个电压跟随器,输入阻抗极高,可保证测量过程中两个半桥的电压和电流不受影响。 铂电阻Rt采用三线制接线方法连接,其中两个引线电阻r分别包括在Rt、R2支路中,另外一个引线电阻r与输入阻抗极高的放大器图一热电阻测量温度电路IC2相连接, 所以这个引线电阻可忽略不计。其余电阻满足R2=R0,Rt=R0+ΔR,R3=R4,R8=R9=R,R10=RF=KR。K为放大器IC2的放大倍数。经推导可以得出以下结论:(1)(2)由(2)式可见,通过测量U0就可知铂电阻的变化阻值ΔR,而且U0和ΔR之间具有线性关系,完全消除了传统的不平衡电桥的非线性误差。同时电桥输出电压U0的表达式中不包括引线电阻r,只要相邻桥臂中连接的两条长导线的材料、截面积、长度以及工作环境相同,在电桥的任何工作状态下,都能完全消除引线电阻以及温漂对电桥输出电压ΔU的影响。而且由于最后一级放大器IC2的使用,大大抑制了共模干扰信号对电桥输出电压的影响。改变R2的阻值就可改变电桥的平衡点。将R2调整到热电阻0℃温度对应的阻值,就可以改变热电阻测量的零点温度,从而使电路的零点很容易实现迁移。并且,该电路对于不同分度号的热电阻,通过改变R2的阻值就可以使用,使电路具有很强的通用性和灵活性。2软件设计被测温度是通过软件查表及相应的公式计算的。设测量线路输出电压为V0,热电阻Rt在温度为T0及Tmax时对应的热电阻分别为Rt0、Rtmax。调整W1、W2 ,即调整仪表放大器的零点和放大倍数,使温度为T0和Tmax时测量电路的输出电压V0分别为0V和5000 mV。设Rt对应的输出电压为Vt,则有:(5000-0)/(Rtmax-Rt0)=(Vt-0)/(Rt-Rt0)Rt=(Rtmax-Rt0)Vt/5000+Rt0(1)其中:Vt为测量值,Rtmax、Rt0均为已知数,由(1) 式就可计算出被测温度T所对应的Rt的阻值。以铂电阻Pt100为例,根据Pt100的分度表可知Pt100的电阻和温度之间是非线性关系的。为了求得被测的温度值,在程序存储器EPROM中开辟一定的存储空间用于存放电阻—温度分度表,一般是通过热电阻的电阻值查温度值,但热电阻的阻值一般来说不是整数, 其查表的地址需要处理, 所以将温度值作为分度表存储, 每度对应一个存储单元, 相应的阻值作为存储单元的内容。设Rt0对应的EPROM的单元地址为0000H,Rt对应的EPROM的单元地址为Dt,则Rt对应的温度值即为EPROM中的电阻—温度分度表的单元地址Dt,而Dt单元的内容即为Rt的值。为了快速查找到已测得的热电阻的阻值所对应的温度值,减少每次测量的查表次数,先假设电阻—温度之间为线性关系,并设此直线的斜率为β,则:β=(Rtmax-Rt0)/(Tmax-T0) ( 2)存储单元地址Dt的计算公式为:Dt=取整[(Rt-Rt0)/β] (3)这样就可先找到Rt所对应的存储单元的大概位置,然后将Rt的内容与EPROM中地址为Dt的存储单元的内容相比较。如果Rt的内容大于Dt存储单元的内容,则应该向前查表,即Dt减1;如果Rt的内容小于Dt 存储单元的内容,则应该向后查表,即Dt加1。直至Rt 的内容与Dt的存储单元的内容近似相等,即可求出Rt所对应的近似温度值,再将小数点后的温度值进行线性计算,就可求出实际的被测温度T。求取被测温度T的软件框图如图二所示。图二求取被测温度T软件框图3结束语利用上述方法实现温度测量,具有简单、实用、抗干扰能力强、测量精度高等特点,并且很容易实现热电阻测量信号处理,从而形成热电阻测量信号调理板。我们将其应用于数据监测系统中,收到了良好的效果。一种实用的热电阻测温方法一种实用的热电阻测温方法@黄江平$华东交通大学电气与电子工程学院!南昌330013热电阻;;温度测量;;单片机热电阻具有测温范围大、稳定性好和耐氧化等特点,低温测量中占有重要的地位。本文介绍了一种利用8031单片机并采用热电阻进行温度测量的硬件电路及软件设计方法。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影响。在程序存储器EPROM中存放电阻-温度分度表,被测温度是通过软件查表及公式计算得到的。该方法具有简单、实用、测量精度高、抗干扰能力强等特点。[1]郝芸.传感器原理与应用[M].电子工业出版社,2002,第一版  [2]张萱等.铂电阻测温非线性校正方案[J].南昌大学学报(工科版),2003,(3)53-56 [3]李希胜等.热电偶特性数字线性化新方案[J].仪表技术与传感器,2000,(3)26-27

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