温度测试技术综述

J/XI'ANTECHNOLOGICALUNIVERSITY温度测量技术综述III温度测量技术综述III学院：机电工程学院班级：060202姓名：熊荣明(060202125)于龙(060202127)2009年6月9日摘要：综述了目前比较先进的五种温度测量方法：基于DS18B20的多点温度测量技术、数字温度测量技术、虚拟温度测量技术、基于铂电阻的温度高精度测量技术、智能温度测量技术，分析对比了其各自的优缺点及其适用范围。关键词：温度测量；单片机；数字温度传感器；单总线；虚拟仪器；铂电阻温度，在科技飞速发展的阶段，仍然是一个安全监控、灾害诊断的重要的物理量。在工业上，温度直接影响各种机械的精度和使用寿命，限制生产能力和生产效率，制约新型产品的研发与生产；在农业上，温度的监控能力直接影响对各种自然灾害的预报诊断能力；在仪器以及高新技术方面，温度影响仪器的测量精度，决定高新技术的研发和实施的安全性。因此，对温度的测量控制，已成为各领域的关键技术。传统温度测量系统中，一般选用模拟式温度传感器。常用的模拟式温度传感器，其中一个共同特点是输出为模拟量，因此在测量电路中必须经过A/D转换才能成为计算机所能处理的数字量。随着计算机技术、单片机技术、数字电子技术等的发展，电子产品、计算机技术以及铂电阻等在温度测量系统中的应用越来越广泛，下面就以上技术测量原理及其特点加以介绍。1、温度测量技术介绍基于计算机技术、数字电子技术及单片机技术等的测量方法，与传统的测量方法相比，实现了在测量点将温度值数字化，有效解决了传统温度传感器外围电路复杂，抗干扰能力差的弊病，提高了测量精度、测量范围及响应速度，降低了对系统的要求。1.1、基于DS18B20的多点温度测量技术[1]⑵煤矿井下环境复杂，为了保证煤矿的安全生产，要可靠地监测煤矿井下包括温度在内的各种环境参数，这对测量系统的抗干扰性及可靠性提出了较高的要求“传统的温度测量系统由于传感器自身的限制，外围的配套电路和连线较为复杂，且传统的温度测量系统由于其模数转换电路放在传感器以外，这样就给系统的抗干扰性和可靠性带来一定的影响”从而设想采用单总线数字温度传感器应用于煤矿井下温度测量场合。DALLAS公司生产的单总线温度传感器由于无需给传感器提供电源线，并且它可以直接将被测温度转化为数字量供微机理，故适合于比较复杂的井下煤矿现场环境，它比传统温度测量系统的适应性更好，抗干扰能力更强，有着广泛的应用前景。系统主要由STC89LE52单片机和单总线数字温度传感器DS18B20组成。温度信号由DS18B20采集，并在其内部完成A/D转换，通过单总线输出数字信号送入TC89LE52进行处理。整个系统的作用是完成数据的采集、处理、显示和报警等功能。DS18B20的供电方式为外部电源。温度测量系统硬件连接图如图1所示。多片DS18B20都只需要接到单片机的一个I/O口上,不仅节约了单片机的I/O口线，还给现场测量布线带来了极大的方便，非常适合在煤矿井下等复杂现场环境使用。在系统安装及工作之前必须将DS18B20逐个与单片机挂接，使用读ROM指令从每个DS18B20的光刻ROM中读出其序列号，然后分别在软件系统中为它们命名，以便后续对其操作。系统软件设计采用模块化设计，程序采用C51语言编写，系统功能由DS18B20初始化子程序、读/写子程序、温度转换子程序、显示子程序、报警子程序等完成。用DS18B20来代替传统温度传感器，不仅在其内部就能进行A/D转换，而且输出的数字量可以直接供单片机处理，优点就是极大地提高了系统的抗干扰性和可靠性，有利于在煤矿井下复杂环境的布线工作。因而，该设计在煤矿井下有着广泛的应用前景。1.2、基于MSP430F413的低功耗数字温度测量技术⑶在现代化的工业生产过程中，温度是一个经常被测量的参数。传统的测量方法是：通过传感器把温度信号变换为电压信号，再把电压信号放大和滤波后，送到A/D转换器，把模拟信号转化为数字信号输出显示［4］。这种温度测量方法的局限性是测量精度不高。而采用MSP430F413及TMP100的温度检测系统，全部数字化，其抗干扰能力明显增强。在这个设计中，MSP430F413和TMP100之间的接口电路如图12所示。由于TMP100具有I2C总线，故除了在SCL.SCD和ALERT需要外接上拉电阻外0.1uf的电容；MSP430F413内部集成了24个驱动电路和4个公共端，使该温度测量电路的设计大为简化。在这个温度测量电路中，MSP430F413使用两个通用I/O端子和TMP100的I2C总线相连,而且TMP100还可以通过设置其地址在I2C总线上连接8个TMP100O本设计中，设置RMP100的地址为1001000。图2MSP430F413和TMP100接线图采用MSP430F413及TMP100温度检测系统，体积小、功耗低、抗干扰能力强、温度测量精度可由软件程序设定。该系统具有广阔的应用前景。1.3.虚拟温度测量系统技术[5][6]目前的温度测量控制系统常采用单片机控制，该技术应用十分广泛，但其编程复杂，控制不稳定，系统的精度不高。而利用虚拟仪器技术开发和设计的温度测量系统，采用普通PC机为主机，利用图形化可视测试软件LabVIEW为软件开发平台，来监测温度变化情况，采集数据并进行处理、存储、显示等。设备本低，使用方便灵活，适用于工农业生产和教学。虚拟仪器测温系统是用虚拟仪器技术改造传统的测温仪，使其具有更强大的功能。系统框架如图3所示，仪器系统通过前端感温装置的传感元件，将被测对象的温度转换为电压或电流等模拟信号，经信号调理电路进行功率放大、滤波等处理后，变换为可被数据采集卡采集的标准电压信号。在数据采集卡内将模拟信号转换为数字信号，并在数据采集指令下将其送入计算机总线，在PC机内利用已经安装的虚拟仪器软件对采集的数据进行所需的各种处理。

计算机系统

P老=号数据采集卡信号调理

电路计算机系统

P老=号数据采集卡信号调理

电路前端感温

传感器图3温度测量系统原理框图基于虚拟仪器技术的测温系统由硬件和软件两大部分构成。硬件系统由前端感温装置（温度传感器）、数据采集卡、PC机系统等组成，主要实现温度信号采集、转化、处理等功能。图4测温系统硬件电路原理图图4测温系统硬件电路原理图本系统前端感温装置采用热敏电阻，热敏电阻RT1与R1串联分压，电路输出电压与温度成正比。传感器通常输出的信号较小，必须采用合适的信号调理电路（如放大），尽量减小量化误差。当温度变大时，热敏电阻RT1电阻变小，在分压点产生一线性电压，经电压跟随器保持后，经过LM324进行一级和二级放大，输出一个正向、与温度变化大小成正比的线性电压。测量电路输出的模拟电压送入数据采集卡，转化为数字信号再输入PC机。软件部分主要是对数据进行后续处理、报警、显示等功能，具体实现采集卡参数设定、数据标定、实时显示、温限设定及报警和人机交互等功能。该系统的扩展性很强，可进一步扩充其功能，如实现对温度远程测控等。该系统构建测控系统的方法，可推广到类似的应用中，有着十分重要的现实意义。采用虚拟仪器构建温度测量系统，有助与实现测温的智能化、精度高、成本低、通用性和扩展性强。1.4、基于铂电阻的温度高精度测量技术[8]伯电阻因为具有高精度、高稳定性等优点，被作为温度检测元件广泛应用于各行业。但在以伯电阻为检测元件的测温系统中，若要进一步提高其测量精度，则会存在一些实际困难。一是在硬件电路方面，除了能够对信号的微弱变化检测并放大外，还必须能对调零、偏置等电路以及电路元器件工作时因为温度漂移所产生的误差精确补偿，对伯电阻后级的信号调理电路有很高的要求；另一方面，在测温系统的设计中，一般都是以某种规格的测温元件为对象的，但由于在伯电阻测温元件的批量化生产中，同规格的产品误差都控制在某个范围之内（如A级伯电阻Pt100在0°C时的阻值允许偏差为±0.06Q），而忽略了同一规格各检测元件的个体差异，这就使得测温系统在检测元件标称的允许偏差范围内的检测结果变得不确定，从而也限制了测温精度的提高。基于此，以伯热电阻Pt100A的测温为研究对象，首先，给出一种能够满足高精度测量需要的信号检测硬件电路，然后，针对某一具体的伯电阻，利用曲线拟合分析方法，得到了适用于各温度段的d-t测温多项式（d为A/D采样值,t为温度）。这种以d、t为参数的拟合方法，补偿了信号从伯电阻到A/D转换的过程中各个中间环节所产生的偏差，使得测温更加精确。测温电路主要由Pt100A的恒流源发生电路、信号放大、有源滤波及、A/D转换电路组成，如图5所示。图5铂电阻温度检测电路运算放大器U1A，U1B构成恒流源发生电路，按图中接法，通过Utef的电流为Uref/Rref，即Pt100的驱动电流为】=Uref/Rref・ ⑴西安工业大学一一机电工程学院一一熊荣明于龙 5运放U2构成信号放大单元。为了消除伯热电阻接线电阻r的影响，100采用了三线制接法。严格取R「100.00Q(即Pt100在0°C时的阻值)，则该电路放大的是伯电阻Rt相对于0°C时随温度变化的阻值变化△*所对应的电压信号。当取R2=R3*R0时，放大后的输出电压为U=IARt(1+R5/R4)=IARTK, (2)式中K为放大器增益。U3为高阶低通有源滤波器，通频带内的信号增益为0db,对高于截至频率的信号增益呈-80db衰减。由于温度为变化比较缓慢的信号，将滤波器的截止频率设置在3Hz左右，可有效滤除由系统供电电源引入的50Hz工频干扰。U4为16位的串行A/D转换器MAX1169。MAX1169采用I2C总线和微处理器相连，由控制转换和读取数据。由于前级滤波电路在通频带内的信号增益无衰减，因此，A/D器件的输入电压q即为放大器单元的输出电压U。。由于A/D器件也采用恒流源发生电路的。心为参考电压，则A/D转换后的结果d与ADC的输入模拟信号U0有如下关系式r/=—(T-1J=65535—、(3)式中n为A/D转换器的位数由式(1)、式(2)、(3)可得d-65535—AR«「.■lx-1 (4)显然，在放大单元增益K与电阻值Rtef恒定的情况下，A/D转换结果仅与伯电阻随温度的变化值aRt有关,而与PT100恒流驱动电流的稳定度、A/D转换器的参考电压精度等无关。采用同一个电压给恒流源和A/D转换作参考电压，适度降低了高精度测量对硬件电路的苛刻要求，有效地提高了对阻值变化aRt检测的精度。用神经微传感器的设计与制作。结果表明：该系统具有良好的神经信号提取能力。可将其应用于电厂的热自动控制［9］。1.5、智能温度测量技术［10］在化工生产!复合材料的研究、机械制造、烟草企业、制药医疗、特别是化

工研究领域和高校各类实验室，处处都会遇到有关温度控制问题。传统的控温方法大都由加温、限温和保温三个环节组成，而且精度较差，经常发生故障。往往不能满足要求精度较高的实验要求。在多年的实验室工作中。针对实验要求，对上海实验电炉厂生产的SSX-12-16型高温箱式电阻炉的加热控制系统进行了全面的技术改进，利用市场上可见的日本SHIMADEN（岛津）公司90年代投放市场的FP21可编程智能双微处理器和2K系列工业单板机可控硅控制器及一些辅助电子器件的合理组合，有效地实现了对高温电阻炉的智能化控制。在两年来学生毕业论文、有关教师科研项目和教学实践中的使用，效果良好，已充分发挥了重要作用。控««E咋1可编程智2K系列可控湛倍寻想电偶电葬稀识微处岬器控««E咋1可编程智2K系列可控湛倍寻想电偶电葬稀识微处岬器3.招ir演信号高温加热炉互感器图6智能控温电气原理方框图智能温度控制电路的升温电压可用380伏或者220伏的交流动力电经互感器加于双向可控硅和高温加热炉上，通过可编程智能双微处理器和2K系列工业单板机对可控硅的精确控制来达到智能化的目的。控制信号走向图6中已经标明。双向可控硅可选用耐压大于500伏，定电流大于200安培的各种型号器件。智能化控制系统性能良好，工作稳定可靠、控制精度高，完全符合工业自动化控制和高校教学科研的实验要求。另外，智能控制也适用于一些高温测量的领域，如利用神经元网络预报钢水温度［11］，操作简单、实用方便。2、总结根据以上各种先进温度测量技术的分析比较，各种测量技术都有各自的应用范围和使用特点：基于DS18B20的多点温度测量技术具有较高的抗干扰性和可靠性，适用于优复杂工作环境，如煤矿井下的优复杂布线；基于MSP430F413的低功耗数字温度测量信号处理电路和必要的逻辑控制电路集成在单片上，具有实际尺寸小、灵敏度高、线性度好、响应速度快、使用方便、性价比高等优点，在实践中有广泛应用。测量结果以数字化形式显示，由于其界面简洁、明了，已成为一种发展趋势。在一些复杂的场合，要求能实现多路温度测量，并可灵活控制测量对象、采样周期等参数，还可进行复杂的数据处理，如温度超过设定的界限，系统发出可闻可见的声、光报警等；虚拟温度测量系统技术该系统的扩展性很强，可进一步扩充其功能，如实现对温度远程测控等；该系统构建测控系统的方法，可推广到类似的应用中，有着十分重要的现实意义，采用虚拟仪器构建的温度测量系统，有助于实现了测温的智能化、精度高、成本低、通用性和扩展性强；基于铂电阻的温度高精度测量系统具有良好的神经信号提取能力，可用于电厂的热自动控制；智能温度测量技术工作稳定可靠、控制精度高、操作简单、实用方便，适用于一些高温测量的领域，如利用神经元网络预报钢水温度。随着科学技术的进步，更为先进的测量技术将会不断出现，温度的测量将会更为精确、快捷、方便，适用范围将会更为广泛。参考文献：刘春雅，程旭,柴光远，赵辉昌.基于DS18B20的煤井多点温度测量系统研究.工业仪表与自动化装置,2009,(2)王勇，植涌，蒋鸿宇.由DS18B2