【文章內(nèi)容簡介】 ℃ 和 0 ℃ 時的鉑電阻阻值 , A = 3. 90802 103 ℃ 1 , B = 5. 80195 107℃ 2 。 該分度函數(shù)的特點(diǎn)是溫度覆蓋范圍廣、精度高 ,但隨著溫度的升高 ,鉑電阻的非線性越來越嚴(yán)重 . 可見 ,在 0 ℃ ～ 650 ℃ 測溫范圍內(nèi)存在非線性項(xiàng) Bt2 ,且為負(fù)值 ,因而電阻的變化率隨著溫度的升高而下降。 電阻隨溫度變化的斜率為： d Rt/d t= R0 ( A + 2 Bt) （ 12） 斜率的變化為： d2 Rt/d t2 = 2 R0 B = 2 100 5. 80195 107≈ 1. 2 104 (Ω/ ℃ 2) （ 13） 可同 Pt100 溫度斜率的變化率隨溫度的升高以 1. 2 10 4Ω/ ℃ 2 的速率下降 ,是單調(diào)上凸特性 ,如圖所示。 圖 12 鉑電阻的非線性特性曲線 上圖中曲線 ① 為 Pt100 特性曲線 ,曲線 ② 為線性化的理想直線。設(shè)被測溫度范圍為：0℃ ～ 800℃ ，則曲線 2 是以曲線 1 的 0℃ 與 800℃ 作為起點(diǎn)與終點(diǎn)所連的直線段 , 即線性化的理想電阻 — 溫度特性。如不進(jìn)行非線性校正 , 非線性誤差在曲線 1 與 2 相交中點(diǎn)處（ 400℃ ）以最大值出現(xiàn)，即 σmax=R0(1+400A+4002B)[(400/800)(R800 R0) + R0] （ 14） 在曲線 1 和曲線 2 相交兩點(diǎn)的中間處 , 即 t=400℃ 時鉑電阻的非線性誤差最大 ,代入上式可得： σmax = Ω, Ω 的變化量相當(dāng)于 Pt100 鉑電阻在 16℃ 左右的變化量 , 即在0℃ ~800℃ 的測溫范圍內(nèi) , 最大非線性誤差可達(dá) 2%左右 , 相當(dāng)可觀。因此 , 在測溫儀表中必須對非線性化問題進(jìn)行線性化處理。 鉑電阻的三線制接法 四線制鉑電阻測溫當(dāng)然是消除引線影響的最佳方 案 ,但對多路測溫而言成本太高 ,工業(yè)上一般采用折衷的三線制鉑電阻測溫方案 [8]。 0 250 500e m a xR 500R 0R t ( O )t (0C )①② 三線制接法補(bǔ)償即將連接熱電阻的兩根導(dǎo)線分別置于兩個橋臂中，當(dāng)環(huán)境溫度變化而使導(dǎo)線電阻值改變時它的影響得到抑制。由于每一路可減少一根導(dǎo)線，且對電路參數(shù)的調(diào)試要求不高，補(bǔ)償了環(huán)境溫度對測量的影響，而測量電路所用的均為普通器件。 由電路知： 10 2)(2 rRR RRVVBtBti ?? ??? （ 15） 圖 13 鉑電阻的三線制接法 式中： Rt為溫度 t時鉑電阻阻值； RB為初始溫度 t0時鉑電阻阻值 , RB=Rt0,rt為鉑電阻引線電阻。 當(dāng) rt因環(huán)境影響變?yōu)?rt1時有： 0 t1()22i t BtBV R RV R R r??? ?? （ 16 ） 39。0 0 0 t 1 t0 0 t2 ( )2tBV V V r rV V R R r? ? ??? ?? （ 17） 以長 100m、截面為 1mm2銅導(dǎo)線為例，其電阻為 )( ???? ?r 。若引線所處環(huán)境溫度在 20℃基礎(chǔ)上變化177。 20℃（平均值）則有： 1t t tr r r tr?? ? ? ? ? = 20 ( )? ? ? ? ? ? （ 18） 式中： ? 為銅電阻品均溫度系數(shù)。 顯然不論用硬件還是軟件線性化處理 , 鉑電阻引線與環(huán)境溫度變化帶來的影響使不平衡電橋電路無法滿足高精度測溫要求。因此 ，本設(shè)計(jì) 提出了相似的恒流源電阻 /電壓轉(zhuǎn)換三線制鉑電阻測量電路 。這在后面作詳細(xì)敘述。 鉑電阻非線性校正方法 硬件校正法就是構(gòu)造一網(wǎng)絡(luò)使輸出信號是溫度 的線性函數(shù)。 如果將輸出電壓一部分反饋回來 , 使供電電流增加 , 就能有效地提高輸出電壓 , 使之對溫度變化呈線性關(guān)系 , 顯然對于鉑電阻 , 必須是正反饋 , 即正反饋法校正鉑電阻非線性 [9， 10]。 圖 14 有源線性電橋 RR BRR tr t r tV 0V ir t_+Pt 100R 1R 2R 3RtU 2U 0IC 具體形式一般是對不平衡單臂電橋的橋臂引入正反饋 ,如圖 14 為一有源單臂電橋 。 正反饋的引入有兩種方式 , 第一種方式是將與輸出成反比的信號引入到橋 臂 a 點(diǎn) , 而形成正反饋 , 如圖 15(a)所示電路。 第二種方式是將與輸出成正比的信號引入到橋臂 b 點(diǎn)而形成正反饋 , 如圖 15(b)所示。 必須指出 , 對圖 a與圖 b電路各參數(shù)值設(shè)計(jì)要求很嚴(yán)格 , 反饋量的輕微變化對其輸出的影響就會很大 , 且很易發(fā)生自激而影響正常測量。 (a) (b) 圖 15 加入 正反饋 的 電路 在使用微機(jī)場合 , 用軟件方法對鉑電阻進(jìn)行非線性校正不但節(jié)省大量的硬件開支 , 使側(cè)量電路簡單 , 而且精度也可 提高。 線性插值法就是把非線性函數(shù)紅幻的曲線分成若干段 , 然后把相鄰兩段用直線連結(jié)起來 , 用此直線代替相應(yīng)曲線。線性插值法按插值基點(diǎn)選取方法不同分為兩種等距離分段法和非等距離分段法。 _+Pt 100R 1R 2R 3RtU 2U 0IC 1_+IC 2aR 6R 4R 5_+Pt 100R 1R 3RtU 2U 0ICbR 4R 5R 6 2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 硬件電路構(gòu)成 硬件電路由 信號處理單元 、放 大單元、數(shù)據(jù)采集及處理單元、串行輸出單元 、電源電路 等 組成。 系統(tǒng)組成框圖如下圖 1 所示： 圖 21 硬件組成原理方框圖 微型計(jì)算機(jī)的選擇 本系統(tǒng)選用 AT89C51作為 CPU。 AT89C51是一種低功耗、高性能的片內(nèi) 4KB快閃可編程 /擦除只讀存儲器的 8位 CMOS微控制器， 其內(nèi)部有 4 KB的 EEPROM,。 AT89C51單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案 .。 三級程序存儲器鎖定、 128*8位內(nèi)部 RAM、 32可編程 I/O線、兩個 16位定時器 /計(jì)數(shù)器、 5個中斷源、可編程串行通道、低功耗的閑置和掉電模式、片內(nèi)振蕩器和時鐘電路。 利用 89C51串行輸出工作方式，使 89C51的利用率大大提高，外部電路得以簡化。 89C51可 直接與鍵盤進(jìn)行掃描讀數(shù)，可直接用串 /并行轉(zhuǎn)換模塊 74LS164驅(qū)動 LED顯示溫度值。因其利用率高，負(fù)載重，后向電路只需加一塊通向驅(qū) 動器即可正常工作。在串行傳輸數(shù)據(jù)時，頻率可達(dá)到 1MHz,對溫度的顯示完全達(dá)到測控精度要求。 與 MCS 51微控制器產(chǎn)品系列兼容 ,使用高密度、非易失存儲技術(shù)制造，存儲器可循環(huán)寫入 /擦除 1000次。 AT89C51的引腳與 8031相同。因此，不需要擴(kuò)展即能滿足要求 [11]。 數(shù)碼顯示多路開關(guān)單片計(jì)算機(jī)串行輸出量程調(diào)整模數(shù)轉(zhuǎn)換AD 574放大單元輸出單元數(shù)據(jù)采集單元信號處理單元恒流源 AD 580Pt 100 及標(biāo)準(zhǔn)電阻多路開關(guān) 熱電阻的選擇 熱電阻溫度傳感器是利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻率隨溫度的變化而變化的原理制成的。鉑雖屬貴重金屬但具有耐高溫 、 使用壽命長，溫度靈敏度高，對溫度變化反應(yīng)速度快，同時電阻溫度特性好，便于分度和讀數(shù)等特點(diǎn)因此 采用鉑熱電阻 作為 溫度測量元 件 ,其型號為Pt100 ,測量范圍為 200～ + 650 ℃ 。 Pt100 型鉑熱電阻在 0 ℃ 時的阻值為 100Ω ,200 ℃ 時的阻值在 170Ω 左右 。 熱電 阻 測量及數(shù)據(jù)處理 測量電路由熱電阻 Rt、 AD580、 標(biāo)準(zhǔn)電阻 R 多路模擬開關(guān) U1 和 U2等組成。圖中 r是熱電阻引線等效電阻。標(biāo)準(zhǔn)電阻 R1用錳銅絲繞制而成，性能穩(wěn)定。 溫度的測量和控制主要取決于溫度測量精度，因此，為了保證精度 ， 從硬件采用了三個方面的措施：第一，測量中傳感器的連接采用新的三線制方法，補(bǔ)償由導(dǎo)線引起的誤差；第二，選用高精度低漂移 運(yùn)算放大器 OP07 作為運(yùn)算放大的電路，第三，測量電路采用恒流源供電。 AD580 用作標(biāo)準(zhǔn)電流源，其輸出電流 I 經(jīng)多路模擬開關(guān) U1 分別由四個支路輸出，在R1上形成標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)電壓信號 U0在熱電阻 R1上形成輸入信號 U02，在引線電阻 2r 上形成引線電阻補(bǔ)償信號 U03，在接地線上形成零點(diǎn)校正信號 U04。為了提高測量精度，電路設(shè)計(jì)時讓四個支路負(fù)載電阻盡量相同。熱電阻采用三線制連接，三條引線敷設(shè)環(huán)境和長度相同。如圖 23 所示 [12]。 電阻測量原理及電路圖 圖 22 測量原理圖 見圖 22， U1 、 U2 為多路模擬開關(guān)， I、 R0、 R A、 AD 分別為標(biāo)準(zhǔn)電流 、被測電阻、標(biāo)準(zhǔn)電阻 、 放大器 、 AD 轉(zhuǎn)換器， U0 U02分別為標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)電壓信號和被測電壓信號，設(shè)定一應(yīng)的 AD 采樣值分別為 S S2, U01和 U02由電流源 I 流過電阻 R1和 R0支路獲得，U01用于對放大器和采樣通道校準(zhǔn)。在單片機(jī)控制下， U1 和 U2的通道 IN1 導(dǎo)通時，有 01 1U I R?? 電流源多路開關(guān)單片計(jì)算機(jī)多路開關(guān)A ADICO MIN 0 IN 1U 01U 02R 0 R 1IN 1IN 0CO MU 1U 2 1 1 1()S K t I R? ? ? （ 21） 上 式中 1()Kt為 01U 采樣時 放大轉(zhuǎn)換通道的等效轉(zhuǎn)換系數(shù)。當(dāng) U1 和 U2 的通道 IN0 導(dǎo)通時，有 02 0U I R?? 2 2 02 2 2( ) ( )S K t U K t I R? ? ? ? ? （ 22） 上式中 2()Kt為 02U 采樣時 放大轉(zhuǎn)換通道的等效轉(zhuǎn)換系數(shù)。將式 （ 22） 與式 （ 21） 比較，有 2021 1 1()()K t I RSS K t I R??? ?? （ 23） 因?yàn)橛幸粋€測量周期是在極短的時間內(nèi)完成的， 所以，可以認(rèn)為 12( ) ( )K t K t? ， 則式 （ 23）為 2 0 021 1 1 1()()K t I R RSS K t I R R?????? （ 24） 整理的被測電阻為 2011SRRS?? （ 25） 由式 （ 24） 、 （ 25） 可見，由于采用了與標(biāo)準(zhǔn)信號采樣值比較的方法，且數(shù)據(jù)采集周期極短，使得被測電阻值與標(biāo)準(zhǔn)電阻 R 標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)信號的采樣值 S 被測信號的采樣值 S2有關(guān) ，與電流源無關(guān)，大大減小了反放大采樣通道的放大倍數(shù) 、 零點(diǎn)漂移和非線 性的影響，因此，提高了測量精度，實(shí)現(xiàn)了電阻值的精確測量，測量精度主要取決于 AD 轉(zhuǎn)換器的分辨率。 見圖 23 設(shè) S S4分別為 U0 U04的采樣值，則由式 （ 25） 可得熱電阻和引線電阻分別為 2t11S2r RSR ?? (26) 3 11S2r RS? (27) 將式（ 7）代入式（ 6）并整理得熱電阻為 3 2 32t 1 1 11 1 1S S SS R R RS S SR ?? ? ? (28) 上式既是本裝置計(jì)算熱電阻的基本關(guān)系式。數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)在單片機(jī)控制下完成數(shù)據(jù)采集后，即按上式計(jì)算熱電阻值，然后查分度表求出溫度值輸出和顯示。式中R1=，溫度值精確到小數(shù)點(diǎn)后一位，兩溫度點(diǎn)之間按線性內(nèi)插計(jì)算參考溫度。實(shí)際計(jì)算時 S S S3先減去零點(diǎn)校正值 S4后，再代入式（ 8）計(jì)算熱電阻值 [13]。 圖 23 熱電阻測量電路 表 1 邏輯控制功能表 步驟