CN107702822A - 一种基于交叉轮询机制的多通道快速高精度测温系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于交叉轮询机制的多通道快速高精度测温系统。本发明通过配置模拟开关阵列电路，实现任意一个铂电阻电压信号及参考电阻电压信号分时地被(n+1)个ADC采集，并确保任意一个ADC实现对所有(n+1)个电压信号的采集。通过计算任意一个ADC采集的n个铂电阻电压与参考电阻电压之间的比值，获得n个铂电阻阻值，再对(n+1)个不同ADC获得的同一通道的铂电阻与参考电阻比值求平均，并转换成温度，实现多通道快速高精度温度测量。该发明的有益效果是克服了现有测温电桥测温精度或速率随通道数增加而下降的缺点。
Description
技术领域
本发明涉及温度计量测试领域，更具体地涉及一种基于交叉轮询机制的多通道快速高精度电阻比率测温系统。
背景技术
在许多计量领域和工业应用中，通常需要多通道快速高精度的温度测量。例如，在质量溯源领域，质量比较仪的环境温度需实时高精度测量以实现质量动态补偿，从而满足低不确定度量值传递要求；在铂电阻传感器生产制造中，需要响应快速的多通道电阻测温系统来实现传感器在线校准与分拣。
目前，在温度计量测试领域有两种工作原理的测温仪。一种是基于变压器的，通过调节原边次边线圈匝数比实现电阻比率测量，通常所述的交流电阻电桥或直流电桥比较技术属于这一类型，该类电桥被认为是精度最高的测温仪，但其高成本、大尺寸和低速率阻碍了它们在现场校准、工业现场多通道温度监测等领域中的应用。另一种是基于模数转换器(ADC)的，例如数字测温仪，数字万用表等。该类测温仪具有低成本和高集成度等优点，也可以通过继电器扩展成多通道结构。但其核心结构通常是单个或者若干个并列的ADC。当其工作在多通道扫描模式时，其测量精度或者测量速率相对于单通道模式明显下降，难以满足多点温度的快速高精度测量。根据上述情况，发明一种低成本多通道快速温度测量系统，克服现有测温仪在多通道扫描模式下精度或速率下降缺点，在多通道快速高精度温度计量测试领域中具有重要意义。
发明内容
针对背景技术中提到的现有测温仪在多通道扫描模式下存在精度或效率下降的问题，本发明采用多片ADC芯片，设计了一种基于交叉轮询机制的多通道快速高精度测温系统。
本发明采用的技术方案是：
基于交叉轮询机制的多通道快速高精度温度测量系统，由n个四线制铂电阻、一个参考电阻、一个恒流源驱动电路、模拟开关阵列电路、(n+1)个仪用放大电路、(n+1)个ADC、一片单片机构成。所述模拟开关阵列电路，可以实现铂电阻电压、参考电阻电压与放大电路之间的任意连接。
所述基于交叉轮询机制的多通道快速高精度温度测量系统工作原理为：一个恒定的直流电流通过n个铂电阻和一个参考电阻，产生 (n+1)个不同的电压信号。通过配置模拟开关阵列电路，实现任意一个电压信号分时地被(n+1)个ADC采集，并确保任意一个ADC实现对所有(n+1)个电压信号的采集。通过计算任意一个ADC采集的n个铂电阻电压与参考电阻电压之间的比值，获得n个铂电阻阻值。再对 (n+1)个不同ADC获得的同一通道的铂电阻与参考电阻比值求平均，并转换成温度，实现多通道快速高精度温度测量。
进一步说，在所述基于交叉轮询机制的多通道快速高精度温度测量系统中，对于每一次轮询，通过模拟开关阵列配置电流流向从铂电阻至参考电阻，采集电压一次；再配置电流流向从参考电阻至铂电阻，采集电压一次，将两次采集电压求和，消除铂电阻接口电路寄生热电动势、放大电路失调漂移等误差对铂电阻测量的影响。
进一步说，所述基于交叉轮询机制的多通道快速高精度温度测量系统中，任意一个铂电阻与参考电阻之间的比值均由同一个ADC计算，然后再由多个ADC计算的比值求平均，并换算成温度，这一过程消除了各个放大电路之间增益的误差。
与现有的高精度测温电桥相关，本发明的有益效果是：
1.所述基于交叉轮询机制的多通道快速高精度温度测量系统，其测温精度或者速率不会随着通道数的增加而下降；而现有的测温电桥，其精度或者速率会随着通道数的增加而下降。
2.相对于通过简单复制单通道n次以实现多通道模式的方法，所述基于交叉轮询机制的多通道快速高精度温度测量系统具有低成本的优势。其节约了(n-1)个高精密参考电阻，而低温漂、低时漂参考电阻是整个测温电桥的最昂贵的部件之一。
附图说明
图1为基于交叉轮询机制的多通道快速高精度温度测量系统框图。
图2为通道数与测量精度关系图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步详细说明。
实施例
如图所示，图1为本发明基于交叉轮询机制的多通道快速高精度温度测量系统框图，在此结构中，一个恒定的直流电流通过一个参考电阻(用REF表示)和n个铂电阻(用PRTi表示)，产生(n+1)个不同的电压信号，每个电压信号被不同的放大器(AMPi)放大和ADC(ADCi) 采样。图1中(1)表示PRT1，用实线连接，(2)表示PRTi，用虚实线连接，(3)表示PRTn，用点连接，(4)表示REF，粗线连接，(5)～(8)表示放大器，(9)～(12)表示ADC，(13)表示恒定的直流电流源。每一个放大器和ADC组合都根据后面各段所描述的交叉轮询机制，对每个PRT和REF的信号进行有序的采样。首先，电流的方向设定为从PRT 流向REF电阻，测量过程如下：
步骤A1：配置模拟开关阵列，ADC1(9)对PRT1(1)的电压进行采样，ADCn(11)对PRTn(3)的电压进行采样，ADC(n+1)(12)从REF(4)电阻上采样电压。ADC输入电压的表达式为：
FADC11＝α1·[IF·RPRT1+EMF1+Drift1] (1)
……
FADCnn＝αn·[IF·RPRTn+EMFn+Driftn] (2)
FADC(n+1)r＝αn+1·[IF·RREF+EMFr+Drift(n+1)] (3)
这里的FADCnn是ADCn采样的PRTn的电压，FADC(n+1)r是由 ADC(n+1)采样REF的电压，αn是AMPn的增益，IF是正向电流的值。 EMFn是PRTn与连接器之间的寄生热电动势，EMFr是REF电阻与连接器之间的寄生热电动势，Driftn是AMPn和ADCn的电压漂移。
步骤A2：保持当前的电流方向不变，配置模拟开关阵列，使 ADC1(9)采集REF(4)电压，ADCn(n＞2)采集PRT(n-1)电压。ADC输入电压的表达式为：
FADC1r＝α1·[IF·RREF+EMFr+Drift1] (4)
FADC21＝α2·[IF·RPRT1+EMF1+Drift2] (5)
……
FADC(n+1)n＝αn+1·[IF·RPRTn+EMFn+Drift(n+1)] (6)
其中，FADC1r是ADC1采样REF的电压。FADCn(n-1)是ADCn采样 PRT(n-1)的电压。
步骤An：保持当前的电流方向不变，配置模拟开关阵列，使ADC(n-1)采样REF的电压，ADCn采样PRT1的电压，ADC(n+1)采样PRT2的电压，ADCm(m＜(n-1))采样PRT(m+2)的电压。ADC输入电压的表达式为：
FADC13＝α1·[IF·RPRT3+EMF3+Drift1] (7)
……
FADCm(m+2)＝αm·[IF·RPRT(m+2)+EMF(m+2)+Driftm] (8)
……
FADC(n-1)r＝α(n-1)·[IF·RREF+EMFr+Drift(n-1)] (9)
FADCn1＝αn·[IF·RPRT1+EMF1+Driftn] (10)
FADC(n+1)2＝αn+1·[IF·RPRT2+EMF2+Drift(n+1)] (11)
步骤A(n+1)：保持当前的电流方向不变，配置模拟开关阵列，使ADCn采样REF的电压，ADC(n+1)采样PRT1的电压，ADCm(m＜n) 采样PRT(m+1)的电压。ADC输入电压的表达式为：
FADC12＝α1·[IF·RPRT2+EMF2+Drift1] (12)
……
FADCm(m+1)＝αm·[IF·RPRT(m+1)+EMF(m+1)+Driftm] (13)
……
FADCnr＝αn·[IF·RREF+EMFr+Driftn] (14)
FADC(n+1)1＝αn+1·[IF·RPRT1+EMF1+Drift(n+1)] (15)
然后，通过模拟开关切换直流电流的方向，电流从参考电阻流向 PRT，进行如下测量：
步骤B1：配置模拟开关阵列，使ADC1采样PRT1上的电压，ADCn采样PRTn的电压，ADC(n+1)采样REF上的电压。ADC输入电压的表达式为：
BADC11＝α1·[-IB·RPRT1+EMF1+Drift1] (16)
……
BADCnn＝αn·[-IB·RPRTn+EMFn+Driftn] (17)
BADC(n+1)r＝α(n+1)·[-IB·RREF+EMFr+Drift(n+1)] (18)
其中，IB是反向电流的值。BADCnn是ADCn采样PRTn的电压， BADC(n+1)r是由ADC(n+1)采样REF的电压。
步骤B2：保持当前的电流方向不变，配置模拟开关阵列，使ADC1采样REF的电压，ADCn(n＞2)采样PRT(n-1)电压。ADC输入电压的表达式为：
BADC1r＝α1·[-IB·RREF+EMFr+Dritf1] (19)
BADC21＝α2·[-IB·RPRT1+EMF1+Dritf2] (20)
……
BADC(n+1)n＝αn+1·[-IB·RPRTn+EMFn+Drift(n+1)] (21)
……
步骤B(n+1)：保持当前的电流方向不变，配置模拟开关阵列，使ADCn采样REF的电压，ADC(n+1)采样PRT1的电压，ADCm(m＜n) 采样PRT(m+1)中的电压。ADC输入电压的表达式为：
BADC12＝α1·[-IB·RPRT2+EMF2+Dritf1] (22)
……
BADCm(m+1)＝αm·[-IB·RPRT(m+1)+EMF(m+1)+Dritfm] (23)
……
BADCnr＝αn·[-IB·RREF+EMFr+Dritfn] (24)
BADC(n+1)1＝αn+1·[-IB·RPRT1+EMF1+Dritf(n+1)] (25)
通过在正向/反向电流状态下，配置模拟开关阵列(n+1)次，使每片ADC从每个PRT和REF中获得2×(n+1)个不同的差动电压。通过计算每片ADC不同电流方向条件下PRT和REF电压之差：
VnPRT1＝FADCn1-BADCn1＝αn[IF+IB]·RPRT1 (26)
……
VnPRTm＝FADCnm-BADCnm＝αn[IF+IB]·RPRTm (27)
……
VnREF＝FADCnr-BADCnr＝αn[IF+IB]·RREF (28)
通过这一步骤，消除了寄生热电动势和系统漂移。通过计算式 (26)、(27)与式(28)的比值，从一个ADCn可得PRT和REF电阻的比值：
Mnm表示ADCn中PRTm和REF电阻的比值。然后分别取(n+1)ADC 的PRTm和REF电阻的比值，得到平均比值：
这种基于交叉轮询机制的多通道快速高精度温度测量系统和单一通道体系结构的不同之处在于，交叉轮询机制结构中有(n+1)个 ADC同时工作，分别采集(n+1)个电阻的电压，再对由(n+1)个ADC 获得的任意一个铂电阻与参考电阻之间的比值作平均，降低测量噪声。且由于(n+1)个ADC同时工作，多通道结构中的测温速度和精度不会随着通道数的增加而降低。
将上述实施例配置成单通道模式，双通道模式，三通道模式和四通道模式，对电阻测量精密度进行评估，实验结果表明，基于交叉轮询机制的多通道快速高精度温度测量系统的测量精度不会随着通道数的增加而降低，如图2所示。且其在-100～700℃温度范围内该系统的精度为0.1mK@1Hz。
Claims (2)
1.一种基于交叉轮询机制的多通道快速高精度测温系统，其特征在于，由n个四线制铂电阻、一个参考电阻、一个恒流源驱动电路、模拟开关阵列电路、(n+1)个仪用放大电路、 (n+1)个ADC、一片单片机构成；所述模拟开关阵列电路实现铂电阻电压、参考电阻电压与仪用放大电路之间的任意连接，通过配置所述模拟开关阵列电路，实现任意一个电压信号分时地被(n+1)个ADC采集，并确保任意一个ADC实现对所有(n+1)个电压信号的采集；通过计算任意一个ADC采集的n个铂电阻电压与参考电阻电压之间的比值，获得n个铂电阻阻值；再对(n+1)个不同ADC获得的同一通道的铂电阻与参考电阻比值求平均，并转换成温度，实现多通道快速高精度温度测量。
2.根据权利要求1所述一种基于交叉轮询机制的多通道快速高精度测温系统，其特征在于，对于每一次轮询，通过模拟开关阵列配置电流流向从铂电阻至参考电阻，采集电压一次；再配置电流流向从参考电阻至铂电阻，采集电压一次，将两次采集电压求和，消除铂电阻接口电路寄生热电动势、放大电路失调漂移的误差对铂电阻测量的影响。
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