一种低成本高精度工业领域的温度测量方案

jupitars

[paragraph]针对传统工业领域温度测量方案高成本，低精度的特点，现提出基于一款国产数模混合型SoC的低成本、高精度、抗干扰能力强的工业温度测量方案，方案已被广泛应用于工业测温，温度控制等领域。


引 言

随着国内工业化水平的不断提高，工业现场温度的测量作为工业测量领域一个十分重要的分支，其测量成本和测量精度要求也变得越来越苛刻。PT100和K型热电偶等作为工业领域广泛应用的测温元件，对于它们的运用也变得十分重要。本文介绍了基于一款国产数模混合型SoC的高精度温度测量方案，相较传统的测温方案，其测量电路成本大大降低，而测量精度显著提高。



方案介绍及测量原理

01、方案介绍
如图1所示，该种测量方案利用SoC内部两路匹配度较高的恒流源来驱动三线制PT100或利用SoC内部高精度基准输出作为K型热电偶的负端参考，将所得到的数据送入内部24位高精度ADC进行计算分析，而后通过软件特有的算法对测量得到的值进行温度换算，最后利用内部LCD Driver驱动外部LCD作为物理量的测量显示。
方案中用到的SoC—晶华微SD9312如图2所示，集成度高、可靠性好，除了各种丰富的数字接口外，内部自带有LCD驱动，24位高精度ADC，两个独立的运算放大器，可编程增益仪表放大器，恒流源以及硅温度传感器等可以给外围设计提供众多的可能。

图1. 方案原理图

图2. SD9312

02、测量原理
三线制PT100温度传感器是由一种稳定性和线性度都比较好的铂丝热电阻和测量线构成，可以工作在较宽的温度范围内，其内部电阻随温度的变化而变化，传感器基本构造如图3所示。其中r1—r3作为传感器的测量线内阻，其线越长，内阻越大，因此，在很多运用场合中完全消除由传感器测量线内阻所带来的测量误差变得十分重要。

图3. 三线制PT100

上图中AI0和AI1为SoC的差分输入，AI2和AI3为SoC的外部参考输入。由图可知，对于三线制的PT100温度传感器，当同时使用两路电流源激励时，AI0和AI1的电压差为（r1+RP+r3+R）*I1-（r2+r3+R）*I2，当r1= r2= r3（生产厂家可控），I1=I2=I（由两路电流源的匹配程度决定）时，此时采样电压为RP*I，即可以完全消除由传感器的测量线内阻所带来的误差。此外，AI2和AI3是由两路电流源合并后在基准采样电阻上产生的外部基准电压。最后，将采样电压和基准电压经过外部滤波电路（根据干扰信号的频率设计参数，若无则参考推荐参数）后同时送入内部24位ADC系统结构内，配置好ADC的合适参数（软件内部配置已省略），即可完全测准0-600℃范围内温度每变化0.1℃时所对应的电压值。此种测量方案相比较传统的电桥差分放大测量，不仅可以完全消除由传感器的测量线内阻本身所带来的误差，而且ADC的测量精度显著提高，成本大大的降低。
K型热电偶温度传感器也即镍铬－镍硅热电偶温度传感器，其热电偶由两种不同材料的金属导体组成闭合回路，一端放在被测介质中感受温度变化，另一端为冷端放置在恒定的工作环境中，当两端温度不同时，在回路中产生一定方向和大小的电动势。传感器基本构造如图4所示。

图4. K型热电偶

上图中AI0和AI1为SoC的差分输入，ACM为SoC的基准输出可作为外部传感器的共模输入。当冷热两端温度不同时，传感器可在AI0和AI1上产生mV级的信号，将此信号经过外部滤波电路（根据干扰信号的频率设计参数，若无则参考推荐参数）后送入SoC内部24位高精度ADC系统结构内，其测量基准选用内部高精度基准，配置好ADC的合适参数，即可完全测准0-999℃范围内温度每变化0.1℃时所对应的电压值。而对于冷端补偿，可以使用SoC的内部硅温度传感器或者一款单总线数字温度传感器SD5820进行补偿。此种测量方案相比较传统的偏置电阻加ADC芯片测量，其成本大大的降低。

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