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智能多路温度检测系统

中国科学院感光化学研究所 陶培德

摘 要

本文详细地介绍了八路温度巡回检测/定点检测系统的硬件配置、误差分析和软件设计方法。该系统特点有三：①采用铂热电阻测温，布线为三线制，不加补偿电阻，从电路模型中消除了连接导线电阻引进的测量误差。②八路测温用用一套温度—电压变换电路，测温点间的切换采用廉价的CD4051八选一模拟开关，其开关的导通电阻及导通电阻路差均布引进测量误差。③铂热电阻温度/电压变换电路的非线性由硬件电路校正，校正后的非线性误差在0~199.9℃范围内小于0.0045%。整个系统采用89S51单片机控制键盘操作，实现检测温度的实时显示、打印、越线报警功能。

一、 引 言

温度的精密测量是工业生产领域中的一个经典课题。在温度检测系统中，测量变换电路起着至关重要的作用，而温度传感器又是该电路中的一个关键元件。

众所周知，在设计测量变换电路时，我们是从分析传感器性能（电阻型、电流型、电压型等）入手，通过适当的补偿、非线性校正及信号放大环节，最后综合处一个满足期望指标的测量变换电路来。

目前，使用比较广泛的温度传感器有四类：热电阻（如铂热电阻）、热电偶、热敏电阻及集成电路温度传感器（如AD590）。本文介绍的检测系统，采用铂热电阻（以下简称铂电阻）元件测温。铂电阻温度传感器具有精度高、性能稳定、互换性好（有分度表）、耐腐蚀及使用方便等一系列有点，移植是工业测控系统中广泛使用的一种比较理想的测温元件。

在温度大于0℃的条件下，铂电阻的电阻值R（t）与被测温度t之间呈如下关系：

R（t）=R（0）（1+At+Bt2） （1） ?

式中（对BA2分度号而言）

R（0）=100Ω（0℃时的电阻值）

A=3.96847×10-3/℃（一次温度系统数） B=﹣5.847×10-7/℃2（二次温度系统数）

由式（1）可见，铂电阻的不足之处是：温度比较率小（α≈0.391Ω/℃），存在Bt2二次飞线性项。 大家知道，铂电阻作为温度传感器使用时，必须把它放在测温现场。从测温点到测量变换电路之间的布线长度少则几米，多则几十米升值上百米。这样唱的链接导线，即使不计热噪电阻，它自身的导线电阻r也是相当可观的（50~100m，r=4~10Ω）。与铂电阻的变化率相比，显然，连线电阻对测量精度影响很大。当采用模拟开关作多点件的切换测温时，另一个不容易忽视的问题是由模拟多路开关导通电阻RON(几十欧姆~几百欧姆)和导通电阻路差△RON（几~几十欧姆）引入的误差。铂电阻数学模型（式（1））中的二次非线性项对测量精确度的影响更是不言而喻的。

因此，只有消除上述三类误差活塞使其控制在期望指标的允差带内才能谈得上正确使用铂电阻元件构造一个实用的多点温度检测系统。

本文给出的电路，采用“恒流源有源综合”的设计方法，从电路模型中消除了r引入的附加误差。布线仍采用工业上常用的三线制，不加补偿电阻。理论上，任意的布线长度均不引入误差。在“有源综合”电路的基础上，配置四个CDE4051模拟开关，完成八路巡测的任务，模拟多路开关RON及△RON引入的附加误差可忽略不计，八路测温公用一套温度/电压变换电路。铂电阻的非线性校正时利用双积分A/D（MC14433）的“比率”转换特性，在进行模/数转换的同时，对铂电阻温度/电压转换电路输出的电信号进行“三线跟踪”非线性校正。在0~199.9℃的温度变化范围内，校正后的非线性误差为0.0045%。系统具有键盘输入/修改、温度值显示、打印、越线报警等主要功能。

二、 系统的组成与原理

本系统硬件配置如图1所示，主要由温度/电压变换电路（T/V）、非线性校正与A/D转换电路及8031最小系统三部分构成。其中T/V电路由铂电阻温度传感器(R（t）)、多路切换电路（MUX）、电流源电路（IS）及有源综合电路（AS）组成。此外，在8031最小系统的基础上扩展了一片8155可编程I/O接口芯片。PP40四色绘图打印机、LED显示电路、4×4键盘电路及温度越限报警电路均挂接在他的口线上。

本系统的功能功能是：可由键盘选择巡检/定点检两种测温方式；可由键盘输入/修改报警的上/下限温度值（BCD码）；可由键盘建立报警或取消报警；可由键盘实时查看设定的上/下限报警值记忆可由键盘启动/停止打印机工作。

检测过程为：a）巡检方式。单片机由机内定时器定时，每5秒钟中断一次，在中断程序中，选通切环电路MUX的对应通道。被测温点的温度有铂电阻温度传感器检测，经T/V电路、非线性校正与A/D转

图一 系统硬件配置结构图

换电路输出对应的BCD码温度值。8031将其踩入内存的指定单元。若建立了报警，则将测得值与设定的上/下限报警值比较，若越线，则声、光报警，并显示/打印出所测点的温度值来。然后，通道号自动增1，进入下一个通道的检测。b）单点方式，除了通道号不变外，其余与巡检方式原理相同。

三、 系统硬件电路分析与设计

1. 温度/电压变换电路（T/V）

温度/电压变换电路如图2所示。它是由铂电阻温度传感器(R（t）)、多路切换电路（MUX）、电流源电路（IS）及有源综合电路（AS）组成的。实际上，它是一个具有多路切换功能的电阻/电压变换电路。 （1） 电流源电路（IS）

电流源的功能是将输入的电压转换成输出的电流，即V/I变换。输出电流与输入电氩成正比。在一定的范围内，与负载的大小无关。图3给出了电流源电路原理图。

图3 电流源电路（IS）原理图

参数计算：

根据线性电路叠加定理，图3电路可列出下列方程组：

电流I的大小有铂电阻特性决定。

太大会产生热噪误差，太小又会影响测量灵敏度，工程上一般取I≈（2~5）m A。

?有源综合电路（AS）

有源综合电路如图4所示。本电路中U2：A、R（t）担负把温度变化引起的铂电阻阻值R（t）之变化△R（t）转换成m V级电压信号的任务。U2：B、RZ、RF、R7（0）、R7（1）构成一个三输入求和运算电路。它一方面，把m V级信号放大到A/D要求的输入电平。另一方面，它起着消除铂电阻连接导线电阻r引入的附加测量误差的作用。