凌思睿，張 偉

(北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所，北京 100074)

0 引言

隨著深空探測(cè)、重型運(yùn)載火箭等任務(wù)不斷推進(jìn)，要求航天器有較長(zhǎng)的在軌滑行時(shí)間，對(duì)液氫液氧等低溫推進(jìn)劑蒸發(fā)量的控制也提出了更高的要求。圍繞多層絕熱、熱力學(xué)排氣等技術(shù)進(jìn)行的低溫推進(jìn)劑蒸發(fā)量控制試驗(yàn)越來(lái)越多[1-12]。試驗(yàn)單位進(jìn)行低溫試驗(yàn)時(shí)，一般是在已有成套的多通道同步電壓采集系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，根據(jù)需求配套驅(qū)動(dòng)電路、傳感器和電纜等。低溫試驗(yàn)要求溫度傳感器有較高精度，并布置大量的測(cè)點(diǎn)對(duì)試驗(yàn)件、工藝系統(tǒng)和試驗(yàn)環(huán)境的溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，這就使成本成為必須考慮的因素。此外，低溫試驗(yàn)件一般處于真空艙或密封的低溫容器中，少量測(cè)點(diǎn)失效時(shí)停止試驗(yàn)進(jìn)行修復(fù)的代價(jià)太大，一般要求能把失效的傳感器屏蔽。

Pt100鉑電阻測(cè)量精度高、測(cè)量范圍大(14～873 K)[13]，可以用于低溫試驗(yàn)中貯箱外壁、工藝管路和環(huán)境溫度等溫度測(cè)點(diǎn)。然而，Pt100在低溫段存在非線性且阻值較小的缺陷。但在低溫試驗(yàn)的狹窄溫區(qū)中，只要保證其重復(fù)性，并設(shè)計(jì)合適的驅(qū)動(dòng)測(cè)量電路，即可廣泛應(yīng)用于低溫試驗(yàn)溫度測(cè)量[14]。

1 整體方案

對(duì)測(cè)量精度要求較高時(shí)，Pt100應(yīng)采用4線恒流法，即從Pt100兩端引出4根線，2根用于恒流供電，2根用于電壓測(cè)量。與2線或3線測(cè)量[15]相比，4線法成本更高，但可以完全消除引線電阻導(dǎo)致的誤差，精度最高[16-18]。標(biāo)準(zhǔn)的4線法每個(gè)Pt100都需要配備1個(gè)高精度恒流源，當(dāng)測(cè)量通道較多時(shí)，成本很高[19-20]。本文運(yùn)用比例式測(cè)量思想，將多個(gè)待測(cè)Pt100與1個(gè)阻值已知的精密電阻串聯(lián)，通過(guò)Pt100和精密電阻兩端的電壓比值來(lái)計(jì)算Pt100的阻值。設(shè)計(jì)的測(cè)溫電路分為模擬和數(shù)字兩部分，其結(jié)構(gòu)如圖 1所示。

模擬電路部分由恒流源、Pt100測(cè)溫電阻、精密參考電阻、放大電路、濾波電路組成。用于測(cè)溫的多個(gè)Pt100與參考電阻串聯(lián)，以同一個(gè)恒流源供電。各電阻兩端電壓經(jīng)過(guò)放大、濾波后輸入到后端A/D系統(tǒng)。因?yàn)楦麟娮枭系碾娏鱅相同，則有

Rti=RfUti/Uf

(1)

式中：Uti、Rti為第i個(gè)Pt100上測(cè)得的電壓及其阻值；Uf、Rf為參考電阻上測(cè)得的電壓及其阻值。可見(jiàn)計(jì)算Rti時(shí)對(duì)電流的精度和穩(wěn)定性均沒(méi)有要求[21]。這種方法消除了恒流源性能對(duì)測(cè)量精度的影響，降低了成本。

圖1 測(cè)溫電路結(jié)構(gòu)圖 Fig.1 Structure diagram of the temperature measuring circuit

數(shù)字電路部分以ATMega328P平臺(tái)為核心，連接串口屏進(jìn)行人機(jī)交互，通過(guò)I/O擴(kuò)展控制繼電器，其作用是當(dāng)試驗(yàn)中需要的傳感器個(gè)數(shù)小于系統(tǒng)通道數(shù)，或者傳感器出現(xiàn)失效時(shí)，可閉合繼電器，將未用或失效的通道短路以保持電阻間的串聯(lián)結(jié)構(gòu)。

與Keysight 34972A等通道掃描型多路測(cè)量采集單元方案相比，本文方案可以充分利用已有的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)各通道數(shù)據(jù)的同步采集，使比例式測(cè)量的精度更高，多通道測(cè)量的實(shí)時(shí)性也更好。

2 模擬電路設(shè)計(jì)

2.1 恒流源設(shè)計(jì)

恒流源的電路原理如圖 2所示。Rset，Rload分別為電流設(shè)置電阻和負(fù)載電阻阻值。電流設(shè)置電阻與負(fù)載電阻串聯(lián)，則有

I=Vset/Rset=Vin/(GRset)

(2)

式中：I為負(fù)載電阻上的電流；Vset為輸入電壓Vin被儀表放大器的增益G拆分后的電壓差。因?yàn)楸壤綔y(cè)量不要求I的絕對(duì)精度和穩(wěn)定性，所以該恒流源各部件對(duì)溫度漂移、輸入偏置電流的要求大大降低，元件選擇應(yīng)以低噪聲為主要依據(jù)。在本設(shè)計(jì)中，高精度低溫漂的電壓基準(zhǔn)芯片REF5045提供大小為4.5 V，噪聲小于12 μV的Vin。運(yùn)放U1選用低噪聲，軌到軌輸出的OPA333。儀表放大器U2選用軌到軌輸入的INA326，當(dāng)選擇R2=200 kΩ，R1=40.2 kΩ時(shí)，可設(shè)置其增益G=2R2/R1≈9.95。根據(jù)式(2)，欲使I=1 mA左右(Pt100無(wú)自熱效應(yīng)的最大電流)，則Rset應(yīng)為453 Ω(1%)。

圖2 恒流源原理圖Fig.2 Schematic diagram of the current source

恒流源可驅(qū)動(dòng)的負(fù)載主要取決于負(fù)載上的電壓Vload和電流設(shè)置電阻上的電壓Vset。必須保證Vload+Vset在運(yùn)放U1的輸出電壓范圍內(nèi)，同時(shí)Vload+Vset/2在儀表放大器U2的輸入共模電壓范圍內(nèi)。使用5 V供電時(shí)，按低溫試驗(yàn)中的常用阻值范圍(2～120 Ω)和電纜電阻(≤10 Ω)概算，最多可驅(qū)動(dòng)約30個(gè)Pt100。

2.2 放大及濾波電路設(shè)計(jì)

低溫試驗(yàn)中用1 mA電流驅(qū)動(dòng)Pt100，其兩端的電壓約為2～120 mV。本設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)了雙電源儀表放大器INA828將其放大50倍供后端A/D系統(tǒng)采集。如用于單電源設(shè)計(jì)中，可改用INA326。INA828是目前市面上性能較好的儀表放大器，增益由單個(gè)電阻Rg決定：G=1+50 kΩ/Rg。INA828輸入偏置電流為0.15 nA，即每路放大器對(duì)電流Ⅰ分流引起的誤差不超過(guò)0.3 ppm；輸入失調(diào)電壓為20 μV，可通過(guò)參考端的調(diào)節(jié)或后端數(shù)字調(diào)零消除。

為了提高信號(hào)質(zhì)量，在儀表放大器后設(shè)置低通濾波電路，可有效排除低溫試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)大型設(shè)備帶來(lái)的50 Hz工頻等干擾。采用了Sallen-Key四階巴特沃斯有源濾波器，截止頻率設(shè)置為10 Hz，且容易調(diào)整，直流增益為1 V/V，通帶增益沒(méi)有紋波，濾波效果很好。雙運(yùn)放選用OPA2187，其自動(dòng)歸零技術(shù)可提供低至1 μV的輸入失調(diào)電壓和0.001 μV/℃的漂移，同時(shí)具有軌到軌輸出，輸入共模范圍包括負(fù)電源軌，非常適合用于本設(shè)計(jì)中的濾波電路。

2.3 無(wú)源器件選擇

從式(1)可知，參考電阻Rf的精度直接影響Rt的測(cè)量精度，因此Rf應(yīng)選擇低溫漂的精密金屬箔電阻，其阻值為100 Ω，溫漂低于5 ppm/℃。注意用高精度檢定后的阻值進(jìn)行計(jì)算，并盡量減少參考電阻引腳間的溫度梯度，即可有效保證精度。此外，儀表放大器的增益電阻Rg也應(yīng)采用低溫漂電阻以減小增益漂移。

Rset，R1和R2決定了恒流源輸出電流的特性，但在本設(shè)計(jì)中對(duì)精度和溫漂的要求不高，因此選用1%的薄膜電阻即可。R3，R4和C1用于提供直流和交流反饋通道，不直接影響恒流源性能，對(duì)器件選型沒(méi)有特殊要求。

2.4 數(shù)據(jù)采集要求

在比例式測(cè)量中，各待測(cè)電阻上的電壓和參考電壓應(yīng)在同一時(shí)刻完成采集，以避免受恒流源和其他元件的穩(wěn)定性影響。因此，應(yīng)根據(jù)環(huán)境溫度和待測(cè)溫度的變化速率，選擇掃描速率足夠高的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，或者多通道同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。當(dāng)測(cè)量通道多時(shí)，后者在各數(shù)據(jù)同步性上有明顯優(yōu)勢(shì)。

3 數(shù)字電路設(shè)計(jì)

3.1 主控模塊

本設(shè)計(jì)的主控模塊使用Arduino UNO實(shí)現(xiàn)。Arduino UNO是一款基于ATMega328P設(shè)計(jì)，軟硬件均開(kāi)源的開(kāi)發(fā)平臺(tái)[22]，其主要功能是利用74HC595芯片實(shí)現(xiàn)I/O擴(kuò)展，經(jīng)過(guò)隔離放大后控制每個(gè)繼電器的狀態(tài)以及對(duì)應(yīng)通道的指示燈。同時(shí)通過(guò)內(nèi)置程序與串口屏通信，接收操作人員開(kāi)關(guān)繼電器等命令。

3.2 繼電器控制電路

為了節(jié)省單片機(jī)的I/O口，應(yīng)用74HC595芯片組成串入并出電路。74HC595是帶有輸出鎖存功能的通用移位寄存器芯片，與繼電器的連接如圖 3所示。并行輸出口Q1～Q7分別連接到光耦的輸入端，以隔離后端負(fù)載的影響，同時(shí)連接LED進(jìn)行狀態(tài)顯示。光耦的輸出端控制NPN型達(dá)林頓管陣列ULN2803APG，驅(qū)動(dòng)繼電器工作。繼電器的常開(kāi)觸點(diǎn)并聯(lián)在Pt100兩端，如欲關(guān)閉某測(cè)溫通道，則令74HC595對(duì)應(yīng)的并行輸出口輸出低電平，繼電器閉合把該通道短路即可。

圖3 繼電器控制電路原理圖Fig.3 Schematic diagram of the relay control circuit

如圖1所示，儀表放大器的2個(gè)輸入端以開(kāi)爾文接法連接到Pt100兩端，繼電器的觸點(diǎn)并聯(lián)在輸入端外側(cè)，因此繼電器觸點(diǎn)狀態(tài)應(yīng)該不影響4線電阻測(cè)量。但是當(dāng)閉合繼電器，對(duì)放大電路和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字調(diào)零時(shí)，繼電器的引線電阻和接觸電阻將造成一定誤差。因此，應(yīng)選擇接觸電阻小的繼電器，并使其連接到Pt100的線路盡量短。

3.3 串口屏

串口屏是一種集成了顯示屏、觸摸屏、CPU和存儲(chǔ)器的獨(dú)立顯示器件，與主控模塊通過(guò)串口進(jìn)行通信[23-24]。本設(shè)計(jì)選用淘晶馳7英寸電阻式觸摸串口屏，其VCC和GNC引腳需提供5 V供電，與主控模塊通過(guò)串口0引腳(RX)、1引腳(TX)連接后，即可正常工作。

4 軟件設(shè)計(jì)

軟件分為嵌入式主控程序和串口屏程序。嵌入式主控程序在Arduino IDE環(huán)境下開(kāi)發(fā)，其主要功能包括接收指令、輸出控制和顯示控制。軟件的主要流程為：系統(tǒng)上電后，主控模塊首先讀取上次記錄在EEPROM中的數(shù)據(jù)進(jìn)行初始輸出，之后等待串口輸入。如果串口輸入開(kāi)始標(biāo)志(0x72)，則繼續(xù)讀取數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、命令字和數(shù)據(jù)，最后檢查連續(xù)3個(gè)0xFF結(jié)束符是否正確。正確接收命令后，根據(jù)不同的命令字進(jìn)行更新或復(fù)位輸出緩存操作。若命令字為“S”即用戶點(diǎn)擊“應(yīng)用更改”，則把輸出緩存通過(guò)shiftOut等函數(shù)以串行方式輸出到74HC595芯片，并寫入EEPROM。程序流程圖如圖 4所示。此外，主控模塊通過(guò)串口發(fā)送指令，可以控制觸控屏的顯示內(nèi)容，同時(shí)接收處理串口屏發(fā)送的指令數(shù)據(jù)。

圖4 測(cè)量通道配置軟件流程圖 Fig.4 Flowchart of the measuring channel configuration software

開(kāi)發(fā)串口屏程序時(shí)，要先在廠家提供的開(kāi)發(fā)環(huán)境中添加圖形控件作為按鈕，之后在控件的彈起事件中通過(guò)串口發(fā)送相應(yīng)的指令字。編譯下載后，串口屏就可以獨(dú)立顯示界面并響應(yīng)用戶操作。

5 系統(tǒng)誤差分析

根據(jù)式(1)，Rt的理論精度與Rf，Ut和Uf的測(cè)量精度有關(guān)。但實(shí)際的測(cè)量精度還與元件噪聲、電磁干擾、電纜阻抗、后端A/D性能等眾多因素相關(guān)，難以完全分析。其中一些誤差容易通過(guò)數(shù)字校準(zhǔn)、調(diào)零等手段校正，下面將只討論不可調(diào)整誤差，并統(tǒng)一折合到輸入端電壓估算其影響程度。設(shè)Pt100引線為0.2 mm2，長(zhǎng)度10 m，環(huán)境溫度為27 ℃，變化范圍≤30 ℃，儀表放大器增益為50，輸入電壓為100 Ω·1 mA=100 mV，信號(hào)帶寬取10 Hz。

5.1 電阻

參考電阻和Pt100主要引入3個(gè)不可調(diào)整誤差源：參考電阻在計(jì)算時(shí)的數(shù)值精度與檢定等級(jí)有關(guān)，按0.005級(jí)估算；此外還有電阻溫漂和熱噪聲引入的誤差，如表1所示。

表1 電阻不可調(diào)整誤差估算

5.2 恒流源

在比例式測(cè)量中，恒流源的主要影響體現(xiàn)在輸出電流的噪聲在Pt100等電阻上產(chǎn)生的電壓噪聲，如表2所示。

表2 恒流源不可調(diào)整誤差估算

5.3 放大電路

放大電路的性能是影響系統(tǒng)精度的重要因素。其中輸入輸出失調(diào)電壓和增益誤差等可被校正，不可調(diào)整誤差如表3所示。

表3 放大電路不可調(diào)整誤差估算

其中共模抑制比指當(dāng)連接多個(gè)Pt100時(shí)，各個(gè)Pt100上的共模電壓不一致所引起的通道間相對(duì)誤差。此處按同時(shí)連接30個(gè)Pt100時(shí)，最高側(cè)的Pt100與參考電阻之間的共模電壓差計(jì)算。此外，當(dāng)系統(tǒng)中連接多個(gè)儀表放大器時(shí)，每個(gè)輸入引腳上的偏置電流會(huì)疊加在恒流源的輸出電流上，導(dǎo)致高側(cè)和低側(cè)電阻上流過(guò)的電流不一致，引入誤差。因此，應(yīng)盡量選擇輸入偏置電流小的儀表放大器。此處按連接30個(gè)儀表放大器，且所有偏置電流方向一致的最惡劣情況估算其影響。

5.4 濾波電路

濾波電路主要引入失調(diào)電壓和增益誤差等可被校正誤差，不可調(diào)整誤差主要是0.001 μV/℃的失調(diào)電壓溫漂和噪聲，如表4所示。

表4 濾波電路不可調(diào)整誤差估算

5.5 繼電器

關(guān)閉恒流源并閉合繼電器對(duì)每個(gè)通道進(jìn)行整體數(shù)字調(diào)零時(shí)，繼電器接觸電阻與引線電阻位于儀表放大器輸入端之間，通過(guò)失調(diào)電流引入了不可調(diào)整誤差。繼電器接觸電阻按50 mΩ估算。引線電阻按正負(fù)每根線長(zhǎng)20 cm估算，如表5所示。

表5 繼電器不可調(diào)整誤差估算

5.6 總誤差估算

根據(jù)誤差理論，認(rèn)為上文所分析的各項(xiàng)誤差之間相互獨(dú)立。把上述各分項(xiàng)誤差求均方根，則可估算本系統(tǒng)測(cè)量電阻時(shí)的總不可調(diào)整誤差約為0.040 7%?？梢?jiàn)儀表放大器的增益溫漂為主要誤差源，其余幾個(gè)較大的誤差源也與溫漂有關(guān)。因此在電路使用過(guò)程中應(yīng)盡可能保持環(huán)境溫度穩(wěn)定。

6 測(cè)試與試驗(yàn)

6.1 模擬電阻測(cè)試

為評(píng)估電路性能，利用ZX25a型精密可調(diào)電阻箱調(diào)節(jié)成2～120 Ω的不同阻值代替鉑電阻，并串聯(lián)19只100 Ω，1%電阻模擬多路同時(shí)測(cè)量。利用Keithley 2000六位半數(shù)字多用表4線制測(cè)量參考電阻和可調(diào)電阻箱的阻值(測(cè)量精度0.008%)，并利用2臺(tái)同樣的多用表測(cè)量放大后的Ut和Uf(測(cè)量精度0.002%)，計(jì)算出阻值后與多用表的測(cè)量值比較，結(jié)果如表 6所示。測(cè)試結(jié)果顯示電阻測(cè)量相對(duì)誤差小于0.02%，在77 K時(shí)造成的溫度誤差小于1.7 mK。

表6 模擬電阻測(cè)試結(jié)果

6.2 現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)

為測(cè)試電路的實(shí)際測(cè)溫精度，根據(jù)氮沸點(diǎn)比較法[25]設(shè)計(jì)了現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)試驗(yàn)。在液氮比較槽中注滿液氮，待槽溫穩(wěn)定度優(yōu)于5 mK/10 min后，把2支WZPB-11A型二等低溫鉑電阻溫度計(jì)插入到等溫銅塊底部，其中一支作為監(jiān)視用，一支用于被檢。待溫度達(dá)到熱平衡后，利用FLUKE 1594A超級(jí)測(cè)溫電橋測(cè)量被檢溫度計(jì)電阻，再用本文電路和Keithley 2000數(shù)字多用表測(cè)量。共進(jìn)行2次循環(huán)4組數(shù)據(jù)，計(jì)算被檢溫度計(jì)的測(cè)量平均值，并根據(jù)溫度計(jì)檢定證書(shū)上的數(shù)據(jù)換算成溫度。試驗(yàn)結(jié)果顯示在氮沸點(diǎn)，溫度測(cè)量誤差為-2.32 mK，符合二等溫度計(jì)的精度范圍。

把上述校準(zhǔn)過(guò)程中的電壓測(cè)量裝置從數(shù)字多用表更換成試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用的Pacific 6000數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(精度0.05%)，用2個(gè)通道分別測(cè)量Ut和Uf，再次進(jìn)行校準(zhǔn)試驗(yàn)。結(jié)果溫度測(cè)量誤差為-4.16 mK，符合二等溫度計(jì)的精度范圍。

6.3 實(shí)際試驗(yàn)應(yīng)用

本文設(shè)計(jì)的電路在某型號(hào)低溫貯箱排放試驗(yàn)中應(yīng)用，在液氮溫度下，同時(shí)利用28路Pt100測(cè)量貯箱和加排管路的壁溫。系統(tǒng)連續(xù)正常運(yùn)行7天，正確獲得了所需數(shù)據(jù)。

7 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了集成恒流源和放大濾波功能的多路串聯(lián)式鉑電阻測(cè)溫電路，開(kāi)發(fā)了通道控制和人機(jī)交互界面，方便與各種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)配合使用。其比例式測(cè)量方法對(duì)恒流源等部件的精度和漂移要求不高。串口屏提供了友好的人機(jī)交互界面，可廣泛應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室和試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的低溫測(cè)量系統(tǒng)中。