超低溫精密智能鉑電阻溫度變換器設(shè)計(jì)

劉 輝，張 惲，董 帥

超低溫精密智能鉑電阻溫度變換器設(shè)計(jì)

劉 輝，張 惲，董 帥

（北京遙測(cè)技術(shù)研究所 北京 100076）

以16位MSP430 CPU為核心，通過可編程增益模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7715的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)涵蓋超低溫度在內(nèi)的全量程溫度測(cè)量。利用AD7715自帶的校準(zhǔn)功能，消除增益與零點(diǎn)的漂移和誤差，設(shè)計(jì)出免于調(diào)試、可完全互換的鉑電阻測(cè)試數(shù)字化、智能化平臺(tái)。通過不同溫度段溫度--電阻函數(shù)，解決溫度精確計(jì)算的難題。測(cè)試結(jié)果表明：智能鉑電阻溫度變換器可以與各不同溫度段的鉑電阻溫度傳感器匹配，通過簡(jiǎn)便的傳感器校準(zhǔn)特性輸入設(shè)置，消除通用傳感器特性造成的誤差，獲得更高的測(cè)試精度。

超低溫度測(cè)量；智能溫度變換器；增益與零點(diǎn)自校準(zhǔn)；非線性校準(zhǔn)

引 言

目前常用的溫度測(cè)量方式有：熱電偶、鉑電阻、熱敏電阻、紅外傳感器。1990年國際溫標(biāo)（ITS-90）是目前國際通用的最新國際溫標(biāo)，其中第三溫區(qū)：13.8033K~1234.93K用鉑電阻溫度計(jì)定義。鉑電阻被認(rèn)為是當(dāng)今高精度溫度測(cè)量的主要敏感元件，其具有性能穩(wěn)定和可靠性高的特點(diǎn)，常用于–250℃~650℃區(qū)間溫度測(cè)量。以液氫為燃料、液氧為添加劑的超低溫介質(zhì)在航天、工業(yè)等領(lǐng)域中已經(jīng)獲得廣泛使用，如何實(shí)現(xiàn)涵蓋液氫、液氧超低溫溫度范圍的精確測(cè)量是不可回避的問題，因此迫切需要研制新型鉑電阻溫度變換器，實(shí)現(xiàn)超低溫度、寬溫度（跨不同的溫區(qū)）的高精度測(cè)量。數(shù)字智能技術(shù)的發(fā)展，為實(shí)現(xiàn)測(cè)量提供了途徑，特別是帶模擬前端的模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC（Analog-to-digital Converter）、具有各種接口功能的CPU已經(jīng)大量上市，為傳感器信號(hào)接入數(shù)字器件、直接完成采樣與數(shù)據(jù)處理、實(shí)現(xiàn)數(shù)字量智能變換器提供了捷徑。

1 現(xiàn)有鉑電阻模擬溫度變換器的不足

1.1 鉑電阻敏感元件的溫度特性

鉑電阻測(cè)溫敏感元件分為繞線型和薄膜型。鉑的純度與電阻的溫度系數(shù)相關(guān)。日本和德國都建立了代號(hào)不同、基本內(nèi)容相同的鉑電阻敏感元件工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，即鉑電阻阻值與溫度的關(guān)系如下：

① 0℃~600℃時(shí)，

② –200℃~0℃時(shí)，

其中，為溫度值（℃）；0為溫度0℃時(shí)的電阻；R為溫度時(shí)的電阻；

③ –200℃以下時(shí)，需要通過鉑電阻標(biāo)定獲得阻值與溫度的關(guān)系。

對(duì)不同交付批次薄膜鉑電阻超低溫傳感器特性對(duì)比，不同批次的溫度傳感器20K~70K溫度范圍分度表電阻值具有較大的分散性。

低溫液氮沸點(diǎn)（溫度為77K）以上，鉑電阻敏感元件電阻—溫度是多次項(xiàng)函數(shù)關(guān)系；超低溫液氫（三相點(diǎn)的溫度為13.81K）、液氧（三相點(diǎn)的溫度為54.361K）情況下，電阻–溫度是更復(fù)雜的函數(shù)關(guān)系。中國科學(xué)院低溫計(jì)量測(cè)試站標(biāo)定的超低溫鉑電阻溫度傳感器（編號(hào)16B1322#）分度表超低溫特性示于圖1。

圖1 鉑電阻超低溫特性

通過式（1）計(jì)算可以知道如果僅用線性變換器、采用線性方程替代會(huì)帶來不同程度的溫度測(cè)量誤差，如表1所示。

表1 鉑電阻非線性誤差

1.2 鉑電阻敏感元件互換性誤差

鉑電阻敏感元件精度分為A、B兩個(gè)等級(jí)。直接采用式（1）、式（2）本身就存在測(cè)溫誤差。

其中A級(jí)精度的敏感元件誤差為

B級(jí)精度的敏感元件誤差為

鉑電阻敏感元件測(cè)溫誤差見表2。

表2 鉑電阻敏感元件測(cè)溫誤差

1.3 模擬鉑電阻溫度變換器使用范圍

通過式（1）、式（2）可以知道，鉑電阻溫度傳感器只有在正溫及–100℃以上（忽略式（2）高次方項(xiàng)，最大誤差0.21℃）時(shí)，電阻與溫度的關(guān)系近似為二次方的關(guān)系，近似用式（1）代替。將敏感元件接入正反饋電路后，可以實(shí)現(xiàn)鉑電阻溫度傳感器電阻–溫度非線性校正，電壓輸出與溫度成線性關(guān)系，實(shí)現(xiàn)溫度的準(zhǔn)確測(cè)量，非線性誤差校正精度可以達(dá)到0.1%。

因此模擬鉑電阻溫度變換器存在如下兩個(gè)缺陷：

① 不能消除敏感元件互換性所帶來的誤差，要提升測(cè)溫精度，必須采用傳感器分度值與變換器配對(duì)調(diào)試，給使用帶來極大不便。

② 溫區(qū)應(yīng)用范圍只有在正溫及–100℃以上才能到達(dá)很好的精度，溫區(qū)應(yīng)用范圍受到限制，簡(jiǎn)單模擬電路無法線性化鉑電阻溫度傳感器復(fù)雜的溫度特性函數(shù)，無法準(zhǔn)確測(cè)量超低溫度。

因此鉑電阻溫度變換器在超低溫測(cè)量時(shí)需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行復(fù)雜的非線性變換，才能準(zhǔn)確測(cè)溫。

2 智能鉑電阻溫度變換器方案設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)超低溫精密測(cè)量智能鉑電阻溫度變換器要達(dá)到的目的就是：解決鉑電阻對(duì)液氫、液氧類超低溫介質(zhì)的高精度測(cè)量問題；提供通用或?qū)Ｓ梅侄缺碛糜诓煌瑧?yīng)用場(chǎng)合，通過簡(jiǎn)便的傳感器特性設(shè)置就可以實(shí)現(xiàn)溫度精確測(cè)量，并且能與不同量程的鉑電阻傳感器匹配，實(shí)現(xiàn)全溫區(qū)的準(zhǔn)確測(cè)量，以及滿足對(duì)智能變換器價(jià)格低、可靠性高、制造便捷的要求。

智能鉑電阻溫度變換器具有的功能：傳感器特性參數(shù)可輸入；現(xiàn)場(chǎng)溫度顯示；模數(shù)轉(zhuǎn)換器DAC（digital-to-analog converter）輸出可選擇4mA~20mA電流或0.1V~4.9V電壓輸出。

超低溫精密測(cè)量智能溫度變換器的設(shè)計(jì)充分考慮工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)使用，為確保CPU系統(tǒng)長時(shí)間工作的可靠性，采用電源地線隔離設(shè)計(jì)，防止接地干擾造成的溫度測(cè)量不準(zhǔn)、系統(tǒng)死機(jī)等現(xiàn)象。智能鉑電阻溫度變換器系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 智能鉑電阻溫度變換器系統(tǒng)

傳感器信號(hào)敏感方式采用恒流源激勵(lì)，地線隔離的CPU系統(tǒng)采用3.3V供電，考慮到液氫、液氧類低溫介質(zhì)應(yīng)用環(huán)境，電路采用了本安防爆設(shè)計(jì)。

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 溫度敏感方式

四線制鉑電阻溫度傳感器是精度最高的測(cè)量方式，溫度測(cè)量采用四線制溫度傳感器，消除了傳感器引線電阻帶來的測(cè)溫誤差。

四線制測(cè)溫方法如圖3所示，通過恒流方式，可以直接獲取鉑電阻敏感元件的電壓s，測(cè)試出鉑電阻值R，消除了傳感器引線電阻（r1、r2、r3及r4）帶來的測(cè)量誤差情況。

3.2 電路設(shè)計(jì)

考慮到溫度為緩變量、低頻信號(hào)，采用∑–Δ型無失碼16位AD轉(zhuǎn)換器AD7715，傳感器差分信號(hào)分別經(jīng)無源RC濾波后進(jìn)入AD7715輸入端。AD7715含有帶差分輸入的完整模擬前端，具有可編程增益功能，可以直接接收傳感器輸出的低幅值信號(hào)。器件內(nèi)部直接帶數(shù)字濾波，可以有效消除轉(zhuǎn)換過程帶來的噪聲?？删幊淘O(shè)置濾波器的陷波點(diǎn)，有效抑制工頻干擾?？删幊淘鲆婀δ芎?jiǎn)化了電路，節(jié)省了放大器設(shè)計(jì)，保證了電路的一致性，免除模擬前向通道的電路調(diào)試?；鶞?zhǔn)電壓采用與恒流源同源電壓，消除基準(zhǔn)漂移、噪聲帶來的轉(zhuǎn)換誤差。

圖3 四線制測(cè)溫方法

CPU選擇Ti公司的MSP430系列16位超低功耗單片機(jī)MSP430F2132，其具有如下特點(diǎn)：16位CPU通過總線連接到存儲(chǔ)器和外圍模塊；資源透明、調(diào)試便捷的JTAG接口仿真功能；多時(shí)鐘能夠降低功耗；8KB+256B Flash 存儲(chǔ)器，512B RAM，其中256B信息存儲(chǔ)器提供了更靈活的編程與擦除方式，可在線存儲(chǔ)、記錄傳感器的特性及溫度輸出特性系數(shù)，無需再擴(kuò)展可編程器件；兩個(gè)16位定時(shí)器，具有靈活的捕獲/比較寄存器；各類通用串口（UART/SPI接口）；降電壓監(jiān)視；看門狗功能。這是一款價(jià)格低、適宜于相對(duì)簡(jiǎn)單算法與數(shù)據(jù)處理場(chǎng)合的控制器。

DA轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)采用16位AD420。通過引腳設(shè)置，可以提供電流或電壓輸出方式。數(shù)據(jù)輸入通過光耦，采用SPI接口與CPU相連。簡(jiǎn)化了DA轉(zhuǎn)換后電壓/電流的轉(zhuǎn)換，提高了可靠性和輸出精度。

顯示及鍵盤控制器采用ZLG7289BS，連接4位數(shù)碼管和4個(gè)數(shù)據(jù)設(shè)置鍵盤。具有多種顯示控制功能，大大減輕了顯示的編程負(fù)擔(dān)。采用SPI接口與CPU相連。4位數(shù)碼管顯示單位為K，小數(shù)點(diǎn)后保留1位小數(shù)；4個(gè)鍵盤用于輸入傳感器特性參數(shù)。雖然采用掃描顯示，但該器件表現(xiàn)出良好的電磁兼容特性。

隔離DC/DC采用Ti公司的DCP010505BP，具有良好的轉(zhuǎn)換效率，提供數(shù)碼管顯示所需電流。

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 軟件流程

系統(tǒng)加電后，進(jìn)入時(shí)鐘、看門狗、顯示器、ADC、DAC的初始化設(shè)置，隨后進(jìn)入測(cè)試程序。軟件流程示于圖4。

測(cè)試時(shí)每隔10秒，對(duì)AD7715進(jìn)行自校準(zhǔn)，消除溫度、時(shí)間引起的漂移。采樣傳感器電壓，計(jì)算鉑電阻阻值，完成溫度的計(jì)算。將計(jì)算出的溫度送顯示控制器，根據(jù)軟件中設(shè)定的初始和滿量程值計(jì)算出相應(yīng)的數(shù)字量，送DAC輸出。

圖4 軟件流程

4.2 鉑電阻值的測(cè)試

4.2.1 AD7715的設(shè)置

在AD7715進(jìn)入測(cè)試及增益切換時(shí)采取AD自校準(zhǔn)。AD7715的自動(dòng)增益校準(zhǔn)、調(diào)零有效消除了增益、零點(diǎn)漂移產(chǎn)生的誤差，保證了前向通道的精度和穩(wěn)定性，確保超低溫度的測(cè)量精度。

AD7715采用數(shù)字濾波，Z域?yàn)V波器傳遞函數(shù)為

頻率域特性

其中，s為采樣頻率。

在AD7715軟件設(shè)置中，第一陷波點(diǎn)設(shè)置為50Hz，有效抑制耦合進(jìn)來的工頻干擾，衰減優(yōu)于100dB。–3dB濾波截止頻率設(shè)置在13.1Hz。從AD7715濾波器的頻率響應(yīng)特性可以知道，低通濾波器具有極好的衰減特性。

4.2.2 鉑電阻值的計(jì)算

除了AD7715自身攜帶的濾波器外，在軟件中增加濾波環(huán)節(jié)，消除AD7715轉(zhuǎn)換輸出噪聲，有效提升濾波器在高增益時(shí)的采樣位數(shù)。濾波方法采用算術(shù)平均值法及程序判斷濾波法相結(jié)合，既充分考慮溫度值作為緩變量，也防止應(yīng)用環(huán)境的變化所帶來的溫度突變，提升智能溫度變換器的響應(yīng)速度。通過算術(shù)平均值法有效獲得16位AD采樣值，抑制數(shù)據(jù)波動(dòng)。電阻計(jì)算采用下式：

其中，()為測(cè)試結(jié)果，()為當(dāng)前獲取值，(–1)為前次采用的計(jì)算值。

通過軟件后置低通濾波，有效提升AD7715在高增益時(shí)的分辨率，確保了高增益情況下的采樣精度，消除了噪聲帶來的誤差。

4.3 溫度計(jì)算

完成敏感元件電阻測(cè)試后有兩種算法可以得到測(cè)量溫度，即：方法一，將傳感器分度表存入存儲(chǔ)器，再采取搜索、插值算法計(jì)算出溫度；方法二，根據(jù)分度表擬合出特性方程，通過特性方程計(jì)算出溫度。前者要占用大量的存儲(chǔ)空間，在后續(xù)智能變換器與傳感器更換配對(duì)使用時(shí)需要輸入分度表數(shù)據(jù)；后者只需擬合校準(zhǔn)數(shù)據(jù)方程，便于后續(xù)智能變換器與傳感器配對(duì)使用。

本超低溫精密智能溫度變換器采取擬合分度表特性方程的算法。

根據(jù)《1990年國際溫標(biāo)》（ITS-90）標(biāo)準(zhǔn)，溫度值90（單位為開爾文）是由該溫度時(shí)的電阻(90)與水三相點(diǎn)時(shí)的電阻(273.16)之比來求得的。比值(90)為

根據(jù)國際溫標(biāo)（ITS-90）標(biāo)準(zhǔn)，采用高純度、無應(yīng)變的鉑絲制成的鉑電阻標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)90的參考函數(shù)可以用標(biāo)準(zhǔn)式（10）、式（12）給出的W(90)值。但考慮到傳感器敏感元件的不同，精密溫度測(cè)量計(jì)算(90)需要使用偏差函數(shù)。(90)–W(90)的偏差函數(shù)是個(gè)多項(xiàng)式，多項(xiàng)式系數(shù)通過對(duì)固定點(diǎn)的測(cè)量計(jì)算獲得，可以獲得特定鉑電阻溫度傳感器比值(90)。

① 對(duì)于13.8033K~273.16K的溫區(qū)，規(guī)定了下面的參考函數(shù)：

在0.1mK的誤差內(nèi)，等效于式（10）的反函數(shù)是

（11）

② 對(duì)于0℃到961.78℃的溫區(qū)，規(guī)定了下面的參考函數(shù)：

在0.13mK的誤差內(nèi)，等效于式（12）的反函數(shù)是

（13）

式（10）~式（13）有關(guān)參數(shù)的常數(shù)見表3。

偏差函數(shù)中，系數(shù)是通過測(cè)量溫區(qū)固定點(diǎn)測(cè)量值計(jì)算求解獲得，因此在擬合曲線時(shí)，只需將固定點(diǎn)的分度值納入擬合范圍、選取適當(dāng)多的點(diǎn)，采用不同的溫度區(qū)間、分段擬合的方法就可以精確擬合出(90)與90特性方程，從而解決溫度的精確測(cè)量。

將擬合后的方程特性系數(shù)寫入CPU進(jìn)行存儲(chǔ)，就可以完成溫度的計(jì)算。要實(shí)現(xiàn)溫度的精準(zhǔn)測(cè)量，必須采用傳感器與變換器配對(duì)的方式，將傳感器特性參數(shù)輸入到對(duì)應(yīng)的智能變換器中，可以實(shí)現(xiàn)全部溫區(qū)溫度的精準(zhǔn)測(cè)量。

表3 式（10）~式（13）中的常數(shù)

如果不考慮A級(jí)、B級(jí)敏感元件的差異，可以將式（1）、式（2）多項(xiàng)式系數(shù)直接輸入，獲取0℃~600℃、0℃~200℃溫度計(jì)算值。

通過鍵盤顯示控制器提供的4鍵鍵盤，可以將傳感器分段特性、輸出零點(diǎn)、滿量程特性數(shù)據(jù)寫入CPU的信息存儲(chǔ)器，快速實(shí)現(xiàn)傳感器特性、智能變換器特性的輸入，也可以通過MSP430仿真、編程接口JTAG/BSL寫入。

5 產(chǎn)品測(cè)試結(jié)果

本智能鉑電阻溫度變換器最低、滿量程測(cè)溫范圍在軟件中可以任意定義。采用中國科學(xué)院低溫計(jì)量測(cè)試站編號(hào)為16B1322#的鉑電阻溫度傳感器分度表來驗(yàn)證超低溫精密智能鉑電阻溫度變換器的測(cè)量精度，采用標(biāo)準(zhǔn)電阻箱替代傳感器輸出。將超低溫精密測(cè)量智能鉑電阻溫度變換器最低量程設(shè)置為15K（液氫溫區(qū)，對(duì)應(yīng)4mA）、滿量程設(shè)置為370K（對(duì)應(yīng)20mA），測(cè)試結(jié)果示于表4。

表4 智能溫度變換器測(cè)試結(jié)果

從表4可以看到，智能溫度變換器測(cè)溫精度優(yōu)于0.2℃。

6 結(jié)束語

以16位MSP430 CPU為核心的超低溫智能鉑電阻溫度變換器可以直接與各溫度段的鉑電阻溫度傳感器匹配，實(shí)現(xiàn)了涵蓋超低溫在內(nèi)的全量程溫度測(cè)量。通過簡(jiǎn)便的傳感器校準(zhǔn)特性輸入設(shè)置，消除了通用傳感器特性造成的誤差，獲得了更高的測(cè)試精度。解決了傳統(tǒng)模擬變換器無法準(zhǔn)確測(cè)量液氫、液氧類超低溫介質(zhì)的溫度測(cè)量問題，克服了模擬變換器品種多、量程固定、調(diào)試復(fù)雜的缺點(diǎn)，也解決了航天飛行器超低溫介質(zhì)溫度測(cè)量需要地面解算、效率差的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了飛行器超低溫度高精度實(shí)時(shí)測(cè)量。

[1] 樊尚春. 傳感器技術(shù)及應(yīng)用[M]. 北京: 北京航空航天大學(xué)出版社, 2016.

[2] 沈建華, 楊艷琴, 王慈. MSP430超低功耗單片機(jī)原理與應(yīng)用[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2017.

[3] 國家技術(shù)監(jiān)督局計(jì)量司. 1990年國際溫標(biāo)宣貫手冊(cè)[M]. 北京: 中國計(jì)量出版社, 1990.

[4] 何克忠, 李偉. 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2015.

[5] 程建華, 齊兵, 屈傳波. 一種高精度低自熱多通道測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 傳感器與微系統(tǒng), 2014, 33(1): 56–59, 63. CHENG Jianhua, QI Bing, QU Chuanbo. Design and realization of a multichannel temperature measurement system of high-precision and low self-heating[J]. Transducer and Microsystem Technologies, 2014, 33(1): 56–59, 63.

[6] 汪定國, 王怡蘋. 一種高精度鉑電阻溫度測(cè)量方法[J]. 電子測(cè)量技術(shù), 2012(11): 104–107. WANG Dingguo, WANG Yiping. Method of high precision temperature measure based on platinum resistance[J]. Electronic Measurement Technology, 2012(11): 104–107.

[7] 金海龍, 趙軍卯. 基于恒流源的多路高精度測(cè)溫儀的研究[J]. 儀器儀表學(xué)報(bào), 2006, 27(S1): 242–244. JING Hailong, ZHAO Junmao. Research on high precision multichannel thermoscope based on constant current source[J]. Chinese Journal of Scientific Instrument, 2006, 27(S1): 242–244.

[8] 黃賾, 崔文德, 趙化業(yè). 測(cè)量引線熱電勢(shì)對(duì)熱電阻測(cè)溫系統(tǒng)測(cè)溫結(jié)果的影響分析[J]. 宇航計(jì)測(cè)技術(shù), 2015, 35(2): 22–26. HUANG Ze, CUI Wende, ZHAO Huaye. Analysis of effect by thermoelectric potential in RTD temperature measurement system[J]. Journal of Astronautic Metrology and Measurement, 2015, 35(2): 22–26.

Design of precision smart platinum resistance transmitter for ultra-low temperature measurement

LIU Hui, ZHANG Yun, DONG Shuai

（Beijing Research Institute of Telemetry, Beijing 100076, China）

With the16-bit MSP430 CPU as the core, full-scale measurements including ultra-low temperature are realized through the application of programmable gain analog-to-digital converter AD7715 connected to platinum resistance sensors. With the self-calibration capability of the AD7715, the drift and error of the device are removed. The problem of temperature accurate calculation is solved by the temperature-resistance function of different temperature segments. The experimental results show that the smart platinum resistance temperature transmitter can be directly matched with the platinum resistance sensors of different temperature segments. With the calibration parameter set of the sensor, the error caused by the universal sensor characteristics is eliminated and higher accuracy is obtained.

Ultra-low temperature measurement; Smart temperature transmitter; Gain and zero self-calibration; Non-linear calibration

TH811

A

CN11-1780(2020)01-0045-07

Email:ycyk704@163.com

TEL:010-68382327 010-68382557

2020-01-18

劉 輝 1973年生，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)閭鞲衅髋c變換器。

張 惲 1966年生，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)閭鞲衅髋c變換器。

董 帥 1984年生，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)閭鞲衅髋c變換器。