发布于:2006/9/6 9:58:18 | 655 次阅读
摘要:介绍了铂电阻测温仪的硬件及软件设计,并针对不平衡电桥中以及铂电阻的阻值和温度之间的非线性特性给温度测量带来一定的误差这一缺点,给出一种查表线性化的方法,实现了电路参数的自适应选取,使得误差达到了0.5级仪表的要求。 测温仪的测温电路采用典型的铂电阻电桥电路,如图2所示。该测温仪的测温电路采用软件算法中的查表线性化方法,利用软件算法对电路参数进行自适应调整选取,在保证高分辨率的情况下,使得在给定的温度范围内各点的分辨率近似相等,误差可达到0.5级仪表的要求,提高了测温仪的整体性能。 由于将Us设为了参考电压,为了化测量的分辨率,希望U5的输出在温度低向0V靠拢,而在温度高向Us靠拢。这样,首先存在的一个问题便是运算放大器的输出问题。通常,运算放大器的输出并不等于电源电压,因为存在一个饱和问题,这样便降低了整个电路的测量分辨率。在实际设计中,使用的是Rail-to-Rail的运算放大器,即输出上限可以达到电源电压,而下限可以达到0V。这一点对于整个电路来讲是非常关键的。 下面具体介绍测温电路参数自适应调整选取的设计过程。 确定参数的原则是达到尽可能高的分辨率,以及尽量消除由于铂电阻的强非线性带来的各个温度段分辨率的明显差异。整个计算和赋值过程通过软件程序来实现。 步,通过输入获取温度值和最小值,得出温度的范围。 第二步,通过输入获取电阻R1、R2、R4的阻值。 为了使节点①的电压大于节点②的电压(因为放大电路是单电源供电的,不可以输出负电压),R1的值必须大于RT在温度测量范围内的值。同时,为了保证桥路的灵敏度,R1的值仅需稍微大于(或等于)RT的值即可。同时明确放大电路中的要求R4=R5、R6=R7,而且为了降低功耗,它们的取值通常都大于100kΩ。本设计中取R2=100kΩ,作为它的临时计算初值;取R4=R5=100kΩ。 第三步,确定剩下的参数值R6、R7。 由于桥路的要求,R3=R2,R4~R7的阻值比较大,这里可以忽略它们的影响来计算节点①和②之间的电压差(U12)的变化范围,从而求出R6、R7的阻值(R4阻值乘以放大倍数K)。 第四步,计算RT取值和最小值时该电路的分辨率。 由于此时已知R1~R7的所有电阻阻值,因此可以计算出具备这些参数的电路在RT取值处的分辨率。例如当温度为-30°C时RT取值,求出U5的值;然后查铂电阻分度表得RT在-29°C时的电阻值,再次求出另一个U5的值,二者之差的即相对表示了该电路在此点的分辨率,差值越大,则分辨率越高。同理,可以求得该电路在RT最小值处的两个输出电压U5之差。 第五步,迭代[3]取优。 迭代的目标是尽量使得两端(即RT取值和最小值时)的分辨率相同。如果二者不相同,则以一定的步长增加R2,直到两端的分辨率基本相同为止。这时便可以确定R2、R3和R6、R7的值了。 ,输出电路各给定值以及得出的所有参数值和温度各点对应的A/D转换数值。用来确定测量电路中各参数的程序流程图如图3所示。 表1 电阻为0.1%时各温度点的相对误差
表2 使用经过筛选的为0.1%的电阻时各温度点的相对误差
3 系统软件 系统的软件分为上位机即PC端软件和下位机即单片机模块的软件两部分。下位机由于采用的是NEC的78K0系列单片机,因此编译调试环境为NEC的Project Manager和ID78K0,程序均用NEC单片机的C语言编写;上位机使用Visual Basic语言编写。 上位机主要负责初始参数的设置以及数据采集完以后的数据统计及保存。 测温仪初始化时,需要和上位机连接,然后通过上位机软件来确定测温开始时间、测温总时间、温度报警值和最小值以及采样间隔时间等参数;测温仪完成参数采集后,可以将数据传送到上位机,通过上位机软件来画出温度数据的波形,进行统计分析,然后将数据存储在PC机中。由于测温仪外扩了256K的EEPROM24C256,基本上可以满足多次测温的要求。 下位机主要负责温度采集。首先用户通过上位机软件来设定温度采集的开始时间、采集时间间隔以及报警温度等各个参数,然后开始采集温度数据。采集时显示最值温度,当温度超出报警温度值时,蜂鸣器发出报警信号。下位机程序的流程图如图4所示。 参考文献 1 胡凤忠,彭 炫.测温铂电阻的非线性特性及线性化处理. 矿业研究与开发,1995(3) 2 张 萱,闻见静.铂电阻测温非线性校正方案.南昌大学学报(工科版),2003;25(3) 3 杨永竹.牛顿迭代法在智能仪表线性化中的应用[J].自动化仪表,1997;18(5):14~17 4 邱关源. 电路. 北京:人民教育出版社, 1982 5 李庆扬.数值计算原理.北京: 清华大学出版社, |
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