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              一種低成本高精度工業領域的溫度測量方案

              來源:杭州晶華微

              #杭州晶華微#

              11天前

              針對傳統工業領域溫度測量方案高成本,低精度的特點,現提出基于一款國產數?;旌闲蚐oC的低成本、高精度、抗干擾能力強的工業溫度測量方案,方案已被廣泛應用于工業測溫,溫度控制等領域。

              引言

              隨著國內工業化水平的不斷提高,工業現場溫度的測量作為工業測量領域一個十分重要的分支,其測量成本和測量精度要求也變得越來越苛刻。PT100和K型熱電偶等作為工業領域廣泛應用的測溫元件,對于它們的運用也變得十分重要。本文介紹了基于一款國產數?;旌闲蚐oC的高精度溫度測量方案,相較傳統的測溫方案,其測量電路成本大大降低,而測量精度顯著提高。

              方案介紹及測量原理

              方案介紹

              如圖1所示,該種測量方案利用SoC內部兩路匹配度較高的恒流源來驅動三線制PT100或利用SoC內部高精度基準輸出作為K型熱電偶的負端參考,將所得到的數據送入內部24位高精度ADC進行計算分析,而后通過軟件特有的算法對測量得到的值進行溫度換算,最后利用內部LCD Driver驅動外部LCD作為物理量的測量顯示。

                  方案中用到的SoC—晶華微SD9312如圖2所示,集成度高、可靠性好,除了各種豐富的數字接口外,內部自帶有LCD驅動,24位高精度ADC,兩個獨立的運算放大器,可編程增益儀表放大器,恒流源以及硅溫度傳感器等可以給外圍設計提供眾多的可能。

              圖1. 方案原理圖

              圖2. SD9312

              測量原理

              三線制PT100溫度傳感器是由一種穩定性和線性度都比較好的鉑絲熱電阻和測量線構成,可以工作在較寬的溫度范圍內,其內部電阻隨溫度的變化而變化,傳感器基本構造如圖3所示。其中r1—r3作為傳感器的測量線內阻,其線越長,內阻越大,因此,在很多運用場合中完全消除由傳感器測量線內阻所帶來的測量誤差變得十分重要。

              圖3. 三線制PT100

              上圖中AI0和AI1為SoC的差分輸入,AI2和AI3為SoC的外部參考輸入。由圖可知,對于三線制的PT100溫度傳感器,當同時使用兩路電流源激勵時,AI0和AI1的電壓差為(r1+RP+r3+R)*I1-(r2+r3+R)*I2,當r1= r2= r3(生產廠家可控),I1=I2=I(由兩路電流源的匹配程度決定)時,此時采樣電壓為RP*I,即可以完全消除由傳感器的測量線內阻所帶來的誤差。此外,AI2和AI3是由兩路電流源合并后在基準采樣電阻上產生的外部基準電壓。最后,將采樣電壓和基準電壓經過外部濾波電路(根據干擾信號的頻率設計參數,若無則參考推薦參數)后同時送入內部24位ADC系統結構內,配置好ADC的合適參數(軟件內部配置已省略),即可完全測準0-600℃范圍內溫度每變化0.1℃時所對應的電壓值。

              此種測量方案相比較傳統的電橋差分放大測量,不僅可以完全消除由傳感器的測量線內阻本身所帶來的誤差,而且ADC的測量精度顯著提高,成本大大的降低。

              K型熱電偶溫度傳感器也即鎳鉻-鎳硅熱電偶溫度傳感器,其熱電偶由兩種不同材料的金屬導體組成閉合回路,一端放在被測介質中感受溫度變化,另一端為冷端放置在恒定的工作環境中,當兩端溫度不同時,在回路中產生一定方向和大小的電動勢。傳感器基本構造如圖4所示。

              圖4. K型熱電偶

              上圖中AI0和AI1為SoC的差分輸入,ACM為SoC的基準輸出可作為外部傳感器的共模輸入。當冷熱兩端溫度不同時,傳感器可在AI0和AI1上產生mV級的信號,將此信號經過外部濾波電路(根據干擾信號的頻率設計參數,若無則參考推薦參數)后送入SoC內部24位高精度ADC系統結構內,其測量基準選用內部高精度基準,配置好ADC的合適參數,即可完全測準0-999℃范圍內溫度每變化0.1℃時所對應的電壓值。而對于冷端補償,可以使用SoC的內部硅溫度傳感器或者一款單總線數字溫度傳感器SD5820進行補償。

              此種測量方案相比較傳統的偏置電阻加ADC芯片測量,其成本大大的降低。

              總結

              以上溫度測量方案中所用到的芯片屬于內部自帶有LCD驅動和24位高精度ADC的32位MCU類的SoC產品,方案中利用其內部的電流源激勵PT100以及ACM作為熱電偶負端參考,不僅從電路上解決了傳統測溫方案的缺陷,提高了測量精度,而且測量電路的元器件大大的減少,這也正是SoC產品相比較普通MCU加ADC芯片的優勢所在。

              愛集微

              作者

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              郵箱:jiwei@lunion.com.cn

              作者簡介

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