離子色譜儀中柱溫箱溫度的高精度測量電路設計

亢葉飛,蘇淑靖,郭楊盛,周廣興,閆 丹,李二賽

(中北大學,省部共建動態(tài)測試技術國家重點實驗室,山西太原 030051)

0 引言

隨著科學技術的進步,離子色譜儀在環(huán)境、材料、化工和食品安全等領域的應用越來越廣泛。抑制柱作為離子色譜儀的核心元件,其具有降低淋洗液的背景電導、增加被測離子的電導值和改善信噪比的功能。柱溫箱提供的恒溫環(huán)境可以有效增強抑制柱的抑制效果和降低基線噪聲,所以設計高精度測溫電路來保障離子色譜儀檢測性能很有必要。

金忠等針對小飛行器狹小空間多溫度點高精度測量存在布線復雜和線纜過重的問題,設計了串聯(lián)總線溫度傳感網(wǎng)絡。通過AD7711輸出恒流源測量鉑電阻阻值,但是沒有考慮恒流源精度和溫漂對測量的影響,測溫精度僅為0.6 ℃[1]。周鵬程等設計了一種多點溫度測量系統(tǒng),可以實現(xiàn)10～90 ℃溫度條件下16個測點的溫度測量。但電橋匹配的定值電阻存在誤差,測溫精度只能達到0.6 ℃[2]。陳鴻海等提出了一種最小二乘法和數(shù)字濾波相結合的方法應用于溫度數(shù)據(jù)的標定,來消除系統(tǒng)誤差和干擾信號的影響,但測溫精度僅為0.1 ℃[3]。管立偉等利用誤差評估原理對擬合結果進行評估來確定適用于PT1000的最佳校正方程,該系統(tǒng)的精度僅優(yōu)于0.1 ℃[4]。以上設計只滿足了一般儀器的測溫需求,但對于離子色譜儀的柱溫箱,需要設計具有更高精度的測溫電路。

為了提高柱溫箱溫度的測量精度,設計了由PT1000、激勵恒流源、信號調理電路、24位∑-ΔADC和STM32組成的測溫電路。雙運放恒流源穩(wěn)定且數(shù)值為250 μA,有效降低了鉑電阻的自熱效應;通過比例測量法消除了恒流源對測量的影響,測溫結果只與PT1000和參考電阻的阻值比相關;提出了雙∑-ΔADC自適應采集技術,可以快速實現(xiàn)擋位切換;通過模擬開關控制恒流源換向經(jīng)三點delta法進行數(shù)據(jù)處理,有效抑制了熱電勢和溫漂對測溫的影響;為了降低噪聲的干擾,提高測溫精度,硬件上設計了抗混疊濾波電路來濾除調制頻率及其倍數(shù)的高頻噪聲,軟件上通過均值濾波有效抑制了噪聲,最后通過阻值標定法對電路誤差進行補償。實驗表明設計的離子色譜儀中柱溫箱溫度的高精度測量電路的測溫范圍為0～65 ℃,測溫精度可達0.03 ℃。

1 總體方案設計

總體方案框圖如圖1所示,包含恒流源電路模塊、信號調理電路模塊、AD7175采集電路模塊、STM32核心模塊及供電模塊。恒流源驅動PT1000轉換為電壓信號,經(jīng)放大電路放大電壓信號提高了AD7175的采樣分辨率和精度,阻抗匹配電路保證了前后級信號相互隔離且提高了輸出信號的穩(wěn)定性。AD7175采集電路將模擬電壓信號轉換為相應的數(shù)字電壓信號,STM32對數(shù)據(jù)進行處理,通過串口與上位機通信。供電模塊為系統(tǒng)其它模塊供電。

圖1 總體方案框圖

2 測量電路設計

2.1 鉑電阻溫度傳感器

鉑電阻的阻值與溫度的函數(shù)關系為

Rt=R0×(1+At+Bt2),t≥0

(1)

式中:Rt為溫度為t℃時鉑電阻的阻值;R0為溫度為0 ℃時鉑電阻的阻值;A、B均為常數(shù)。

常用的鉑電阻溫度傳感器有PT100和PT1000,由于柱溫箱工作的溫度范圍為0～65 ℃,為了實現(xiàn)高精度測溫,所以選用靈敏度較高的PT1000作為本電路的溫度傳感器,其測溫范圍為-50～220 ℃,測溫精度為0.01 ℃。常用的鉑電阻測量方法有電橋測量法和恒流源測量法,電橋法測量鉑電阻時易受橋臂電阻的影響,不能最大發(fā)揮全橋電路靈敏度高的優(yōu)點,且橋臂電阻匹配校準難[5],所以本文選用恒流源驅動PT1000來測量鉑電阻阻值。

2.2 線制兼容電路

PT1000根據(jù)引線數(shù)量可以分為二線制、三線制和四線制。二線制PT1000由于引線電阻的存在,導致測量溫度高于實際溫度,且很難進行溫度補償,所以基本不適用于高精度測溫場合。三線制PT1000可以通過恒流源換向技術消除引線電阻對測溫的影響,且成本較低,接線方便。四線制PT1000在測溫過程中則可以完全消除引線電阻對測溫的影響。為了靈活實現(xiàn)三線制、四線制的溫度測量,設計了針對PT1000的線制兼容電路,如圖2所示。

圖2 PT1000線制兼容電路框圖

PT1000中Rw1、Rw2、Rw3和Rw4為引線電阻;PT1000線制兼容設計中,可通過控制單刀雙擲模擬開關1和2選擇對應的通道,分別實現(xiàn)三線制和四線制溫度采集電路,如表1所示。

表1 線制選擇表

2.3 恒流源電路

為了實現(xiàn)高精度測溫,需要恒流源穩(wěn)定性高、受溫度影響小,且需要負載接地[6],所以設計了負載接地式的雙運放恒流源,如圖3所示。

圖3 雙運放恒流源電路圖

圖3中,加法器由U12及其外圍電路構成,其輸入與輸出的關系為

(2)

電壓跟隨器由U16及其外圍電路構成,其輸入與輸出的關系為:

VOUT2=VP2

(3)

2個運放均處于深度負反饋,根據(jù)運放虛短、虛斷的特點可知:

VP1=VN1

(4)

令R44=R45=R47=R49,聯(lián)立式(2)～式(4)可得R46兩端的電壓為:

VR46=VOUT1-VOUT2=VIN2-VIN1

(5)

由式(5)可知R46兩端電壓只與IN1引腳和IN2引腳的輸入電壓差值有關。2個引腳分別與地和電壓基準源連接,所以R46兩端電壓與電流均為恒定值。

U12、U16選用具有超低偏置電壓、低噪聲和高開環(huán)增益的雙極性運算放大器OP177。電壓基準源芯片選用ADR441,其輸出電壓為2.5 V、電壓噪聲小于1.2 μV,且輸出電壓誤差小于0.04%。當采用雙電源對運放供電時,在電壓基準源和U12之間放置模擬開關可以實現(xiàn)恒流源換向。

同時為了降低鉑電阻自熱效應對測量帶來的影響,設計的恒流源輸出電流要小于0.3 mA[7],所以R46選用溫漂為0.2 ppm且精度為0.01%的10 kΩ精密電阻,輸出電流I為0.25 mA,滿足設計要求。

2.4 信號調理電路

溫度為65 ℃時,PT1000兩端的電壓值為312.9 mV,直接采集會對測量精度造成影響。所以需要通過信號調理電路放大電壓信號后再進行采集,信號調理電路如圖4所示。

2.5 采集電路及擋位切換

AD7175是一款低噪聲和快速建立的∑-Δ型ADC,分辨率為24位,其外接16 MHz晶振,通過SPI總線與單片機進行通信。AD7175中基準電壓由開關電容連續(xù)采樣,當基準電壓緩沖器使能后,必須要滿足正常工作所需的裕量,所以選擇電阻R50為500 Ω,對基準電壓緩沖器供電軌提供0.125 V的裕量。

AD7175采集電路如圖5所示,其中抗混疊濾波電路設計的差模截止頻率為379 Hz,共模截止頻率為7.957 kHz,保證了任何從共模轉換為差模的信號都將被差模濾波器衰減。同時AD7175內部集成的Sinc3濾波器可以在較低速率時,實現(xiàn)最佳單通道噪聲性能。Sinc3濾波器和抗混疊濾波器兩者結合,有效抑制了噪聲的干擾。

圖5 AD7175采集電路圖

設計了雙∑-ΔADC自適應采集電路(見圖1),2個AD7175分別以不同的采樣速率同時對PT1000進行采集。參考電阻Rref1和Rref2兩端的電壓分別作為ADC1和ADC2的基準電壓,通過動態(tài)比例測量法,可以基本消除恒流源帶來的影響。ADC2的采樣率為1000 SPS,可以對PT1000進行快速采樣,參考電阻Rref2選取15.890 1 kΩ,所以ADC2的基準電壓為3.9725 V。單片機先通過ADC2采樣得到的電壓值計算當前的PT1000阻值,使用二分法和PT1000上、下閾值進行比較,如表2所示,得到相對應的參考電阻值,然后通過控制多路復用器ADG5404選擇參考電阻Rref1來實現(xiàn)量程的快速切換,且為ADC1的精密采樣提供合適的基準電壓,其采樣率為100 SPS時,有效分辨率為24位。

表2 PT1000測溫量程表

電路的測溫范圍為0～65 ℃,為了確保即使電路中存在失調電壓,測量得到的PT1000阻值還在量程范圍內,表2對應的測溫范圍為-1～70 ℃。

ADC1的輸出電壓如式(6)所示:

(6)

通過該技術,實現(xiàn)了在不同擋位選擇相應的參考電阻來為ADC1提供基準電壓,從而提高測溫分辨率。

2.6 供電模塊

電路板各模塊需要的供電為±15、5、3.3、2.5 V,選用電源輸出DC24V對電路板供電。首先通過DC-DC隔離電源UWE_S-3WR3和UWF_S-3WR3分別對模擬電路和數(shù)字電路供電,減少了數(shù)字電路和模擬電路之間的干擾。然后使用LDO電源芯片降壓至各個模塊所需電壓。為了減少電源噪聲的干擾,選擇PSRR高、靜態(tài)電流小和功耗低的LDO芯片,如表3所示。

表3 LDO芯片表

3 誤差修正方法

3.1 三點delta法

PT1000與補償導線在連接點處由于材質不同,導致熱電效應存在熱電勢,PT1000和電路板所處區(qū)域存在溫度差,組成回路后也會引起熱電勢,都會降低測溫精度。同時在測量過程中受外界溫度的影響,電路中存在溫漂,會對測溫精度造成影響[8-10]。溫度是一個緩慢變化的物理量,所以在極短時間內溫漂可以近似為線性變化。且熱電勢不隨電流的方向改變而改變,所以通過單片機控制模擬開關改變恒流源極性,使用三點delta法有效抑制熱電勢和溫漂。

AD7175以100 SPS的采樣率來采集電壓信號,開始采集5 ms后單片機IO口輸出頻率為50 Hz和占空比為50%的PWM波來控制模擬開關改變恒流源極性,避免了因模擬開關快速切換造成電壓信號不穩(wěn)定帶來的干擾。最后對數(shù)據(jù)進行處理,如圖6所示。

圖6 溫漂電壓圖

VPT為PT1000兩端的真實電壓值,E1為熱電勢,ΔE為溫漂。由圖6可知,ADC1相鄰3次采集電壓V1、V2、V3分別為:

(7)

聯(lián)立式(7)可以得到真實的電壓值VPT。

(8)

每采集6組數(shù)據(jù),去除最大值和最小值,對剩余4組數(shù)據(jù)進行算術平均濾波,可以有效抑制噪聲對測溫的影響,提高測溫精度。根據(jù)式(9)可得PT1000電阻值Rt,可用于后續(xù)阻值標定。

Rt=(VPT×Rref1)/13.5

(9)

3.2 阻值標定法

為了提高測溫精度,將精密電阻連接到電路中,使用最小二乘法對精密電阻值和電路采集得到的阻值進行分段曲線擬合來實現(xiàn)阻值標定。精密電阻由ZX54直流標準電阻箱產(chǎn)生,其量程為0.01～111 111.11 Ω,精度為0.01 Ω,對應的溫度約為0.002 6 ℃。通過對表2中不同擋位對應的PT1000上、下閾值范圍擬合,得到阻值標定函數(shù)。將單片機通過ADC1采樣電壓值計算得到的PT1000阻值代入到阻值標定函數(shù),得到補償后的PT1000電阻值,最后通過式(1)來解算溫度。如表4所示,通過阻值標定后,擬合誤差最大為-0.106 3 Ω,等效溫度誤差為-0.027 ℃。

表4 部分標定數(shù)據(jù)

4 測試及結果分析

4.1 平臺搭建

測試平臺包含電路板、實驗室精密電源、六位半分辨率數(shù)字萬用表、示波器和Fluke 7012恒溫槽。通過Fluke7012提供恒溫環(huán)境,將PT1000置于其中進行測試,如圖7所示。

圖7 測試平臺圖

4.2 測試結果

本電路的測溫范圍為0～65 ℃,通過設置Fluke7012溫度從0 ℃開始,每增加5 ℃進行一次溫度采集。將Fluke7012顯示的溫度作為實際溫度,上位機顯示的溫度作為測量溫度。當實際溫度分別為35、45、55 ℃時,測量溫度數(shù)據(jù)如圖8～圖10所示。

圖10 實際溫度為55 ℃時的測量溫度數(shù)據(jù)

測試過程中實際溫度和測量溫度的最大絕對誤差為0.028 ℃,符合設計要求。相對于一般的測溫電路設計,本文實現(xiàn)了對溫度的高精度測量,且有效抑制了噪聲對測溫的影響。

5 結論

本文設計了離子色譜儀中柱溫箱溫度的測量電路,實現(xiàn)了對柱溫箱溫度的高精度測量,保障了抑制柱的抑制性能。通過比例測量法、三點delta法、雙∑-ΔADC自適應采集技術及阻值標定法抑制了噪聲的干擾并消除了誤差,提高了測溫精度。實驗表明在0～65 ℃范圍內測溫精度可達0.03 ℃。測溫范圍和精度遠高于一般測溫電路設計,且有效抑制了溫漂和固定熱電勢,具有一定的工程應用價值。