1　引　言

　　热量表是供热体系中按热量计量收费的一个关键仪表和重要依据,其测量精度、工作稳定性等技术指标是非常重要的[1]。热量表工作时,分别安装在通过载热流体的上行管和下行管上的一对温度传感器给出表示温差的模拟信号,安装在流体入口或回流管上的流量计发出与流量成正比的脉冲信号,热量表采集来自上述三路传感器的信号,利用积算公式算出热交换系统获得的热量。热量计算有焓差法和k系数法,都离不开温度测量。温度测量精度越高,计算得到的焓值、密度或k系数值越准确,热量计量的精度也越高。因此,研究高精度、低成本的温度测量方法对于热量表的研制、生产具有重要的意义。

　　2　温度采样

　　长期以来,人们在测量温度时,大部分使用常规的测量方法测量。当测量精度要求较高时,必须使用复杂的调理电路、高位数的A/D转换器,使系统成本居高不下,难以普及使用。随着电子技术的发展,出现了很多功能完备、低功耗、低电压大规模集成电路,为设计长时间电池供电的高精度测温系统提供了硬件基础。

　　ADS1100是精密的连续自校准A/D转换器,带有差分输入和高达16位的分辨率,可每秒采样8、16、32或128次,片内可编程的增益放大器PGA提供高达8倍的增益,允许对更小的信号进行测量,并且在单周期转换方式中的一次转换之后自动掉电,在空闲期间极大地减少了电流消耗[3]。因此,可减少信号调理环节和显示环节的扩展,简化系统结构,降低系统功耗。

　　温度传感器采用铂电阻Pt1000,由于温度传感器导线短,且Pt1000的阻值远远大于导线的电阻,如忽略导线电阻的影响,可以采用二线制接法。电路原理如图1所示。

　　采用TI公司的TLV431产生0.248mA的恒流通过模拟开关MAX4582提供给两路温度传感器Pt1000和标准的校准电阻R2。通过A、B控制模拟开关依次切换,将三路电压信号经ADS1100内部放大、转换后通过SPI接口传递给单片机。热量表工作的温度范围为0～100℃,Pt1000对应的阻值在1000～1400Ω之间,设置ADS1100的放大倍数为8,则Vin信号的输出范围为1.984～2.777V,很好地利用了AD的动态范围(参考电压为3V)。

　　温度的测量是通过测定Pt1000的电阻值来计算的。当模拟开关MAX4582的A=0,B=1时,选通温度传感器PT1,对应的AD转换值为V1;A=1,B=0时,选通温度传感器PT2,对应的AD转换值为V2;A=0,B=0时,选通标准校准电阻R2,对应的AD转换值为V。此时PT1和PT2的阻值分别为:

　　从式(1)、(2)可以看出,温度的测量准确性取决于AD转换器的电压测量精度,而影响电压检测精度的因素有两种:一个是参考电源电压的波动,另一个是标准校准电阻R2、恒流电流控制电阻R5的精度和温度稳定性。ADS1100的参考电压就是供电电压,仪表供电电池的电压随时间推移逐渐减小,因此,必须选取合适的稳压电路和高性能精密电阻。电阻R2和R5的精度为0.02%时,对数字量的影响小于1LSB,温度测量误差小于0.02℃。

　　通过上述方法进行温度采样,既达到实时校准的目的,保证了采集精度,又避免了使用过程中需要校准的麻烦。

　　I/O 2用来控制MAX4582和TLV431的供电。进行温度采样时,先将I/O 2引脚置1采样结束后I/O 2引脚清0,有效地降低了系统的功耗。

　　3　温度计算

　　温度敏感元件采用IEC751铂电阻Pt1000,在0～100℃温度范围内铂电阻阻值与温度关系近似为[4]:

　　式中,R0为0℃时的阻值,A= 3. 9083×。

　　根据阻值计算温度有两种方法。其一,根据式(3)进行温度计算,求解二阶方程式的解。此方法虽然需要进行开平方运算,程序复杂,但是占用存储器空间小;其二,利用查表和线性插值法进行温度标度变换,计算简单,但是需要占用大量存储器空间。两种方法在实际应用中都是可行的,都能满足温度测量的精度要求,可根据实际情况在速度和存储容量之间取舍。

　　由于温度与阻值之间的关系存在明显的非线性,所以在实际使用时必须进行标定。通过实验来确定温度补偿参数,一般可采用查表分段补偿法。利用0.01%精密电阻箱进行实验,得到图2和图3两组数据曲线。实际使用时,由于配对的温度传感器PT1000之间允许有0.15～0.3℃测量偏差,入口和出口的温度测量误差会增大,如果需要更精确的测量精度,可以用恒温箱标定获取温度补偿参数。

　　4　结束语

　　从温度的测量和计算出发,详细论述了热量表温度测量方法、实时校准方法和低功耗控制方法,文中提出的测量方法经过实际使用,效果良好。