【48812】数字温控器的高精度测温规划

  王昌世(1957-)，男，硕士，高级工程师，首要研讨方向为温度丈量与操控。

  摘要：选用高精度测温芯片（Si7051）对热电偶做冷端补偿；为做温度↔电压的转化,在热电偶分度表中做高密度双向线做动肩构成不平衡电阻桥来检测热电阻值；通过解析法求解Pt100的一元四次热电阻方程得到温度；运用高精度Σ-Δ且有易驱动功用的模数转化器（ADC）；选用ARM Cortex-3结构的高性能32位微处理器STM32F103。归纳这些技能,能使温控器测温分辩率到达0.001℃。对以上相关联的内容的差错剖析以及在STM32F103上的编程完成是本文论说的要点。文中所述不只是对温度丈量，对其它弱小电量、非电量（如压力，分量等）信号的丈量也是有学习效果的。

  不少温控器仍沿袭传统的测温电路结构：传感器→ 滤波→ 前置扩大1 → 传感器类型切换→ 前置扩大2 → 再滤波→ ADC → MCU 处理。并且ADC 一般集成在MCU 中，这不只分辩率较低（多为12 位或以下），参阅电源又多不可变。此种结构元件多，噪声大，不适合高精度测控。以热电偶为例，在0 ~ 661 °C的量程内，分辩率很难超越0.1 °C。精度也难超越0.5%（是温度的绝对值温度，单位是°C ）。近几年，许多IC 公司针对热电偶这样的微伏级的弱传感器信号，将上述传统测温结构集成到一同，推出了高分辩率（16 位、20 位和24 位），且有多通道的ADC，如LTC2486[1]。这为温控器高精度测温规划供给了一种好的挑选。

  图1 所示是比较惯例的规划，相对简略。没有了专门的信号扩大、通道切换电路，滤波电路也是最简略的一阶无源RC。

  最新的热电偶国际规范是2013 年版的IEC60584—1:2013，与之同等（IDT）的国家规范是GB/T1639.1—2018[4]。规范把热电偶分红多种类型（E、K、J 等），其间E 型灵敏度最高[3]。它适合做相对高精度测温。从高精度的视角，应选购1 级差错（ 0.004 ×，是−40 ~ 800 °C温度）[4]、护套和结点阻隔[3]但要和屏蔽层相连的E 型，以便差分衔接并削减噪声。

  由所以电压信号，通过简略的一阶RC低通滤波就能够和LTC2486的差分输入直连[2]（ CH2-CH3,），如图2 所示。滤波器的截止频率

  2）冷端（又称参比端[4]）补偿热电偶测温要处理一个冷端补偿问题。详细做法是：

  ②因为温度↔ 电压的非彻底线性关系，须在E 型分度表[4]，用线性插值算法，把tcj 还原成电压Vcj[3]。

  ③把Vcj 加到TC 的输出电压Vtc 上，作为TC 的输出电压一部分。

  3）输出电压规模。对E 型热电偶，在−68 ~ 661 °C测温规模，查分度表[4]，对应的电压（ Vi ）规模是−3.711 ~ 49.997 mV。为进步分辩率，能够缩小量程并加大GAIN。FS 和GAIN 的界说见1.4。

  需求把非电量的电阻变成电压信号，二线 的引线差错，不能消除，测温差错大（r = 0.225 Ω时，约为1 ~ 1.5 °C）。三线 不平衡电阻电桥如图 3（或图2）所示。是引线电阻；是固定电阻；，ΔR 标明相对R0 的随气温改变量，有正负；Vcb 是桥路电源； Vb 是不平衡时桥压。三线 电桥对引线差错是可控的。

  ①实测， 2 m 长的 Pt100 引线 m 以内要求， 约为2.25 Ω 。再按式（4）， 要求R1 、R2 在r 千倍以上，以削减引线 kΩ；

  ②流经Pt100 的电流（ I p ）要不大于1 mA[5]，以操控自热。但也不能太小，不然影响电桥测阻灵敏度，实践可取I p = (1 ~ 2) mA；

  R1 ~ R3用精度为 0.01%、温度系数为5×10−6/°C的贴片电阻（批量时约0.45 元/ 个）。这个要求很重要。

  这个相对差错很小，并且温度高于0.5 °C后，差错还会逐步再减小。归纳上述，只需满意式（3a），就能把引线电阻r影响降到以内，乃至更小（依据实践的需求规划）。

  要特别注意的是，假如三线电阻不等（即这在实践中是存在的）则会引进差错，此刻，这儿的三线电路也不能无缺处理实践问题。所以在购买时要向供货商提出三线 ADC的挑选和运用

  ②有2 个差分通道，正好满意一般温控器对热电偶和Pt100 的输入需求，不需外加切换电路（会引进噪声差错）。

  ③ 2486 的参阅正电源（REF+）用较高精度的芯片（0.5%）LT6650 发生。该芯片在输入5 V 时，可调输出（0.4~4）V。

  ①一般挑选2486 的数据转化速率为6 次/s 。也可选12 次/s ，但这会使精度下降[1]

  拜见1.3.1 2）。详细算法是：①在 (−68 ~ 68) °C（冷端所在温度一般为环境和温度），分12 段进行线 °C 为一个距离（取10 的整数倍为切割点）；

  ②设Th 、Vh 、Te 、Ve 、Tcj 、Vcj 为float（浮点）变量，别离标明每段的首点温度；首点电压；末点温度；末点电压；补偿温度；补偿电压。

  c − 72ace；开端求根：⑫榜首根核算；⑬第二根核算；⑭第三根核算；

  [5]为 0.004。可对 K 或其它型热电偶做相似精度剖析。考虑到在相同的量程下，要到达Fs 值，需求取更大的GAIN，这将下降一些分辩率。

  图4 显现的是STC 温控器测验的环境和温度时所得，值为20.693 °C。表 1、表 2 则是该温控器接连测验的数据记载，一个用Pt100，另一个是E 型热电偶。这些值有时能坚持～ 10 ~ 13 s ，一般～ 4 ~ 5 s ，标明该温控器的 Pt100 能分辩0.001 °C，热电偶能分辩0.014 °C。完成了高精度。

  温控器的高精度温度测控负重致远，探究包含四线 运用在内的更新的测温技能来进步测温精度将是本实验室的下一个前行方针。