一種低成本高精度工業(yè)領(lǐng)域的溫度測(cè)量方案

針對(duì)傳統(tǒng)工業(yè)領(lǐng)域溫度測(cè)量方案高成本，低精度的特點(diǎn)，現(xiàn)提出基于一款國產(chǎn)數(shù)模混合型SoC的低成本、高精度、抗干擾能力強(qiáng)的工業(yè)溫度測(cè)量方案，方案已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)測(cè)溫，溫度控制等領(lǐng)域。

引 言

隨著國內(nèi)工業(yè)化水平的不斷提高，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)溫度的測(cè)量作為工業(yè)測(cè)量領(lǐng)域一個(gè)十分重要的分支，其測(cè)量成本和測(cè)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(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的測(cè)溫元件，對(duì)于它們的運(yùn)用也變得十分重要。本文介紹了基于一款國產(chǎn)數(shù)?；旌闲蚐oC的高精度溫度測(cè)量方案，相較傳統(tǒng)的測(cè)溫方案，其測(cè)量電路成本大大降低，而測(cè)量精度顯著提高。

方案介紹及測(cè)量原理

01、方案介紹

如圖1所示，該種測(cè)量方案利用SoC內(nèi)部?jī)陕菲ヅ涠容^高的恒流源來驅(qū)動(dòng)三線制PT100或利用SoC內(nèi)部高精度基準(zhǔn)輸出作為K型熱電偶的負(fù)端參考，將所得到的數(shù)據(jù)送入內(nèi)部24位高精度ADC進(jìn)行計(jì)算分析，而后通過軟件特有的算法對(duì)測(cè)量得到的值進(jìn)行溫度換算，最后利用內(nèi)部LCD Driver驅(qū)動(dòng)外部LCD作為物理量的測(cè)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(shù)字接口外，內(nèi)部自帶有LCD驅(qū)動(dòng)，24位高精度ADC，兩個(gè)獨(dú)立的運(yùn)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(shè)計(jì)提供眾多的可能。

圖1. 方案原理圖

圖2. SD9312

02、測(cè)量原理

三線制PT100溫度傳感器是由一種穩(wěn)定性和線性度都比較好的鉑絲熱電阻和測(cè)量線構(gòu)成，可以工作在較寬的溫度范圍內(nèi)，其內(nèi)部電阻隨溫度的變化而變化，傳感器基本構(gòu)造如圖3所示。其中r1—r3作為傳感器的測(cè)量線內(nèi)阻，其線越長(zhǎng)，內(nèi)阻越大，因此，在很多運(yùn)用場(chǎng)合中完全消除由傳感器測(cè)量線內(nèi)阻所帶來的測(cè)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(duì)于三線制的PT100溫度傳感器，當(dāng)同時(shí)使用兩路電流源激勵(lì)時(shí)，AI0和AI1的電壓差為（r1+RP+r3+R）*I1-（r2+r3+R）*I2，當(dāng)r1= r2= r3（生產(chǎn)廠家可控），I1=I2=I（由兩路電流源的匹配程度決定）時(shí)，此時(shí)采樣電壓為RP*I，即可以完全消除由傳感器的測(cè)量線內(nèi)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(zhǔn)采樣電阻上產(chǎn)生的外部基準(zhǔn)電壓。最后，將采樣電壓和基準(zhǔn)電壓經(jīng)過外部濾波電路（根據(jù)干擾信號(hào)的頻率設(shè)計(jì)參數(shù)，若無則參考推薦參數(shù)）后同時(shí)送入內(nèi)部24位ADC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)內(nèi)，配置好ADC的合適參數(shù)（軟件內(nèi)部配置已省略），即可完全測(cè)準(zhǔn)0-600℃范圍內(nèi)溫度每變化0.1℃時(shí)所對(duì)應(yīng)的電壓值。此種測(cè)量方案相比較傳統(tǒng)的電橋差分放大測(cè)量，不僅可以完全消除由傳感器的測(cè)量線內(nèi)阻本身所帶來的誤差，而且ADC的測(cè)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(dǎo)體組成閉合回路，一端放在被測(cè)介質(zhì)中感受溫度變化，另一端為冷端放置在恒定的工作環(huán)境中，當(dāng)兩端溫度不同時(shí)，在回路中產(chǎn)生一定方向和大小的電動(dòng)勢(shì)。傳感器基本構(gòu)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(zhǔn)輸出可作為外部傳感器的共模輸入。當(dāng)冷熱兩端溫度不同時(shí)，傳感器可在AI0和AI1上產(chǎn)生mV級(jí)的信號(hào)，將此信號(hào)經(jīng)過外部濾波電路（根據(jù)干擾信號(hào)的頻率設(shè)計(jì)參數(shù)，若無則參考推薦參數(shù)）后送入SoC內(nèi)部24位高精度ADC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)內(nèi)，其測(cè)量基準(zhǔn)選用內(nèi)部高精度基準(zhǔn)，配置好ADC的合適參數(shù)，即可完全測(cè)準(zhǔn)0-999℃范圍內(nèi)溫度每變化0.1℃時(shí)所對(duì)應(yīng)的電壓值。而對(duì)于冷端補(bǔ)償，可以使用SoC的內(nèi)部硅溫度傳感器或者一款單總線數(shù)字溫度傳感器SD5820進(jìn)行補(bǔ)償。此種測(cè)量方案相比較傳統(tǒng)的偏置電阻加ADC芯片測(cè)量，其成本大大的降低。

總 結(jié)

以上溫度測(cè)量方案中所用到的芯片屬于內(nèi)部自帶有LCD驅(qū)動(dòng)和24位高精度ADC的32位MCU類的SoC產(chǎn)品，方案中利用其內(nèi)部的電流源激勵(lì)PT100以及ACM作為熱電偶負(fù)端參考，不僅從電路上解決了傳統(tǒng)測(cè)溫方案的缺陷，提高了測(cè)量精度，而且測(cè)量電路的元器件大大的減少，這也正是SoC產(chǎn)品相比較普通MCU加ADC芯片的優(yōu)勢(shì)所在。