摘要:探讨基于VME总线的高精度温度测量方法和实现了高精度温度测量系统的设计方案,对温度测量过程中存在的各种误差源进行分析,提出并实现了针对这些误差源的解决方案。系统采用Highland公司的AD数据采集片,实现了上位机SUN工作站和下位机MV5100协同工作的高精度温度测量系统,并对温度测量系统进行了比对测试,经过测试可以得出系统的测温精度满足设计目标,测温精度在±0.005℃内。
1 测量系统方案设计
1.1 测量技术方案设计
本设计对测温精度的要求是达到±0.005℃,比较现有的温度传感器,标准铂电阻和标准热敏电阻满足设计的要求。而热敏电阻的灵敏度比铂电阻高,在温度微弱变化时,热敏电阻的电阻值变化更大,后端信号调理电路更容易测量微弱温度的变化。因此在本测温方案中,选用热敏电阻作为温度传感器。后端信号调理电路使用恒流源供电电路,热敏电阻温度传感器采用四线制接法。虽然导线电阻相对于热敏电阻来说很小,采用四线制可进一步消除导线电阻的影响。温度测量原理图如图1所示。
使用这种温度测量方案,获得最终温度测量结果的过程是:AD数据采集片测量温度传感器上电压的精确值,单板机MV5100读取数据采集片中的测量结果,然后计算出此时温度传感器的电阻值,再利用热敏电阻的Steinhart-Hart方程解出温度值。为了确保电阻温度转换方程的转换精度,对标准高精度热敏电阻在0~60℃的温度范围内进行了高精度的系数标定。直接采用热敏电阻的特性方程计算出被测温度值的方法,可以避免使用非线性校正电路对测量带来的误差,测量过程减少了不必要的外来误差;同时也便于确定测量过程中存在的误差源。
1.2 测量系统结构方案设计
测量系统要完成高精度的温度测量任务,还要完成对测量结果的数值显示和温度变化曲线的显示。因此本系统分为两个部分:上位机系统和下位机系统,这两部分通过网线连接。上位机提供人机交互界面,并完成测量结果的数值和曲线显示,实现对温度测量参数的设置和对温度测量过程的控制。下位机系统由AD数据采集片V460和单板机MV5100组成,VME总线将两者联系起来。V460采集温度数据,MV5100运行嵌入式操作系统Vxworks,温度测量程序在Vxworks下运行,它们共同完成高精度温度测量任务。测量系统结构如图2所示。
2 V460数据采集卡
本设计温度数据采集采用的是美国Highland公司的V460数据采集片,此板片是专门为温度测量设计的,各项性能指标满足高精度温度测量的需要。输入通道数有16个,每个输入通道均采用四线制传感器连接方式,每个通道输入阻抗大于1000MΩ,漏电流小于200pA。这样的输入通道性能参数可以保证四线制测量中测量通道对被测电压的影响足够小。采用恒流源驱动和四线制连接方式的温度测量中,恒流源的精度将影响到传感器电阻的测量精度。V460提供了四种恒流源,它们的大小和精度分别为:1μA, 10μA, 100μA和1mA。1μA精度为±0.04%±50×10-6/K,其余恒流源精度为±0.01%±25×10-6/K。
ADC位数16bi,t精度±0.01%±25×10-6/K,测量范围可程序控制在0/+5.12V或±5.12V之间选择。它自带一个可程序控制的放大器,放大倍数为1、4、16和64。通过改变可测电压的范围和改变放大倍数,可以适应不同的温度传感器,以及不同的温度测量范围。
3 测量系统功能分析
测量系统采用恒流源供电测量方法,只要正确选择恒流源的大小和放大倍数,不同阻值的温度传感器都可以正常使用,适应性较强。为此测量系统其中一个很重要的功能就是能对每个测量通道的恒流源和放大倍数分别进行设置,另一类功能就是为提高温度测量精度而设置的功能。温度测量系统的功能描述如下:
(1)设置V460每个通道的恒流源大小、放大器倍数。在完成了温度传感器的选择后,必须选择合适的恒流源和放大倍数。
(2)选择温度传感器的安装通道号,设置安装的传感器类型。用户选择的温度传感器可以安装在采集卡16个通道的任意一个上,相应地要设置传感器安装通道的通道号,这样测量系统才能正确对应处理每个通道的测量结果。
(3)设置开启EMF(热电势消除功能),V460将在测量结果中去除由于热电势而引起的测量误差。
(4)测量通道中低通数字滤波参数的设置和测量结果的数字滤波阈值参数的设置。V460数据采集卡上带有一个低通数字滤波器,此数字滤波器主要滤除测量结果中引入的工频干扰,参数值依据板卡实际扫描周期决定。
(5)测量系统状态、最终测量结果和温度变化曲线的显示。系统状态、测量结果值及测量结果曲线的显示给用户一个直观的监视界面,方便检查测量系统工作状态和测量结果。
4 温度测量系统软件总体结构
温度测量系统的处理软件由上位机软件和下位机软件组成。下位机软件主要负责温度测量和测量数据的相关处理,上位机软件主要提供操作界面,用户对温度测量系统的操作都是通过这个界面完成的。这两部分利用网络通信共同完成温度测量系统的设置和控制。系统软件总体结构如图3所示。
用户交互界面、下位机软件接口、网络数据处理和网络通信层四个模块属于上位机软件系统,右边四个模块属于下位机软件系统。用户交互界面给用户一个设置和控制温度的窗口,要完成设置和控制的任务最终都要调用下位机软件接口来实现。下位机软件接口和温度测量模块就是代理和模块实体的关系,它们之间用RPC机制通信,用户交互界面调用下位机软件接口就如同在本地调用温度测量模块一样。上位机的网络数据处理和网络通信层共同实现客户通信桩程序,下位机的网络数据处理和网络通信层共同实现服务器通信桩, RPC机制的内部通信机制由这四个软件模块构成。AD板片访问层提供AD数据采集片的硬件抽象层,温度测量模块调用AD板片访问层获得AD板片的测量结果。
5 温度测量系统实验验证与结果分析
5.1 温度测量测试方案
为了验证本测温系统的测温精度是否达到设计要求,需要对测温系统进行温度测量实验并测试测温精度。本文采用对比法,让被测试系统和一个精度更高的温度测量系统同时测量同一个被测对象,比较测量值可以粗略的估计出被测试系统的测温精度。测试仪器是超级电阻温度测温仪1590,使用的传感器是Fluke公司编号为2339的标准热敏电阻5641。
测温仪1590在使用5641作为温度传感器后测温精度可以达到0.000125℃,比较本测温系统的设计目标测温精度0.005℃,这个测温精度完全满足要求。被测试系统使用的温度传感器是Fluke公司编号为2314的标准热敏电阻5641。测试仪器和被测试系统共同测量的对象是装在一个容器中的水,两个温度传感器在水中尽量的靠近,这样在水这种比热较大的介质中两个温度传感器所处环境的温度可以认为相同。整个温度测试实验所处的温度环境是20±1℃,由于环境温度的影响,测对象的温度变化会较大,为了反映实际温度的变化同时考虑测量值中干扰对复位阀值的影响,我们对超级电阻温度测量仪1590的滤波阀值设置为0.003℃。对被测试温度测量系统设置一套参数时也需考虑干扰的影响,设置合适的滤波参数,比较测量值的精度和数字滤波对测量值精度的影响。低通滤波器参数设置为3,复位滤波器的阀值设为0.01℃,放大倍数4,恒流源100μA,开启EMF功能,预充电时间8ms。保持1590的参数设置,对被测试系统分别设置两种不同的参数进行测量,每次测量200个左右的值,将1590和被测试系统的测量值进行对比分析。
5.2 测试结果分析
图4和图5是使用两种不同参数设置后测量的结果曲线。由图可知,测量曲线的杂波干扰明显减少,测量结果和1590的测量值之间的偏差小于±0.005℃。但相对于使用参数(1)的测试结果可以看出1590和被测试系统的测量结果偏差有增大的趋向,引起这种偏差增大的原因是滤波的影响,特别是递推平均滤波的影响。由于递推平均滤波的结果会受到旧测量值的影响,在温度变化较快时,滤波使得测量结果曲线有偏离实际温度变化的趋势,即测量值和真实值偏差增大。
经过以上对比测试结果可以看出本温度测量系统的测温精度满足设计目标,测温精度在±0.005℃内。
6 结束语
本文主要致力于高精度温度测量系统的设计和实现。从温度测量方案入手,为消除温度测量中的多种误差使用了多种方法,并对温度测量数据进行滤波处理和选择合适的温度转换算法,这些在提高温度测量的精度方面都是很有帮助的。
参考文献:
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作者简介:吴凤泉(1980—),男,助教,研究方向为智能仪表技术。
(收稿日期:2009-02)
