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薄膜铂热电阻PT1000在热测试中的应用
点击次数:952 发布时间:2016-03-29

 电子设备的热技术包括了热分析、热设计、热测试 3个环节。热分析是在样机设备完成之前即可完成设备内部的理论上的温度梯度与热流分布;热设计的目的是保证电子设备中的每个元器件工作在允许温度范围之内;热测试是对电子设备样机的实际测试,以验证热设计与热分析的效果。
  电路板及系统级的热分析、热设计及热测试主要研究电路板的结构、元器件布局对元件温度的影响以及电子设备多块电路板的温度分布 ,计算出电子元件的结点温度 ,进行可靠性预计。其热设计则是对电路板结构及其元器件进行合理安排 ,在电路板及其所在箱体内采取热控制措施 ,达到降低温度的目的。
电路板及系统级热测试可采用直接测量,主要方法有接触测量和非接触测量,接触测量一般采用热电偶和热电阻,非接触测量一般采用红外辐射测量法。
热的传递主要靠传导、对流和辐射,红外辐射测量法不发生传导热和对流,测量的是物体表面的辐射温度,不是真实温度,也不能测量封闭机箱内温度。丝式热电偶和薄膜热电偶均可以用于热测试,但与用热电阻测量温度相比,其信号处理要复杂。热电阻法是一种简单、稳定、实用的方法,但传统线绕铂丝热电阻由于体积较大,不适合用于热测试。薄膜铂热电阻是一种较好的选择。
热测试对温度测量装置的要求是同时能进行八路温度测量;数字显示;测量精度 1℃,分辨率 0. 1℃;温度传感器不影响温度测量现场热流分布;吸收热功率尽可能小并且没有热功率输出;传感器体积尽可能小。
1、薄膜铂热电阻
国内是从 20 世纪 80 年代中期开始引入薄膜技术研发薄膜铂热电阻元件和商品化生产,但并没有得到规模生产和广泛应用。薄膜铂电阻由于采用半导体加工工艺 , 适合大批量生产,因而成本低,同时又具有传统线绕式铂电阻的诸多优点,因此自 20 世纪 90 年代开始 ,在很多领域逐步取代了传统热电阻和热电偶等测温元件。近年来,无论在国外还是在国内,薄膜铂热电阻元件需求量也迅猛增长。国内使用的薄膜热电阻主要是日本林电工(H AYASH IDENKO)和德国贺利氏 ( H eraeus)的产品。
薄膜铂电阻稳定性好、 电阻温度系数高, 还具有体积小、热容量小、热响应快、耐受振动、冲击、一致性好等优点。
薄膜铂电阻虽然在热特性上与传统线绕铂丝热电阻基本相同,但由于它的生产工艺和结构,在使用上还有不同之处。
如果使用不当会降低铂电阻测温的性能,甚至造成电阻元件的*损坏。在使用薄膜铂热电阻时,应注意:
1)薄膜铂热电阻的热特性:在“工业铂、铜热电阻计量检定规程”(JJG229 -2010)中给出了薄膜铂电阻和线绕铂电阻的热特性均满足公式(1)、(2)。
在 ( -200 ~ 0) ℃范围内为

献 [ 2]提出公式(1)、(2)中的 A、B、C 是在传统线绕铂丝热电阻下拟合热特性曲线时标定出的系数。对于薄膜铂热电阻,实际测试系数 A、B、C 是有差异的,精密测量时,要考虑。
2)zui大工作电流:德国贺利氏 ( H eraeus)的 PT100 技术手册给出的zui大工作电流是 0. 3 ~ 1m A,这比传统的线绕铂丝热电阻允许工作电流要小得多。在许多应用场合,并不是可以任意取代铂丝热电阻。需要替换时,测量电路需要重新设计。这是由于薄膜铂电阻体积小、热容量小,过电流会使铂电阻产生焦耳热,并使温度测量产生误差。
在设计测量电路时要引起注意。
图 1 为产品手册给出的德国贺利氏 M 213 系列薄膜铂电阻 PT100 或 PT1000 的外形结构和封装尺寸。

M 213 系列薄膜铂热电阻体积小,两种规格 PT100 和PT1000,1. 2×1. 7×0. 9(m m )(长 × 宽 × 高),测量温度范围 -70℃ ~ 500℃ ,热特性与铂丝热电阻基本一样,是一种理想的热测试温度传感器。可以贴在 1m m2的电子元器件上测温。八路温度测量装置采用薄膜铂热电阻 PT1000作为温度传感器。
2、薄膜 PT1000 检测电路
图 2 为一路薄膜铂热电阻 PT1000 检测电路,是由测量电桥、差动前置放大器构成。八路薄膜铂热电阻 PT1000 检测电路结构相同。

2.1 PT1000 测量电桥
薄膜热电阻 PT1000 接入电桥采用三线制,这样可以消除传感器引线电阻带来的测量误差并降低接插件接触电阻带来的测量误差。传感器引线采用 0. 12m m2高温线。
测量电桥单臂接入薄膜热电阻 PT1000,其它三臂采用误差小于 1% 的高精度电阻,0℃时,电桥平衡,理想状态,电桥输出 UAB 为 0。采用恒压源 LM 1117-1. 2V 集成稳压源供电,电桥平衡时,工作电流 0. 6m A。温度 100℃时,PT1000 输出电阻 1385Ω,电桥输出电压 UAB ( 100℃ )为 -96. 855m V。
热电阻检测温度可以采用恒流源法或电桥法,由于是采用电桥法和恒压供电的 PT1000 检测电路,其测量臂工作电流随温度和热电阻变化而变化,其电桥输出电压与温度之间的关系为非线性,AD 转换后,采集数据需在单片机内作非线性矫正。
2.2 前置放大
前置放大采用双运放 LM 358 构成的反向差动放大器,放大倍数为(1+a)。W 1、R2 和 R3 组成调零电路。测量温度小于 0℃时,Uo 输出为负压,通过二极管 D1,输出Uo嵌位在 -0. 6V。
2.3 测量电路桥调试
测量现场温度为 0℃时,电桥输出 UAB 为 0,输出 Uo应该为 0;如果输出 Uo 不为 0,调整 W 1,使 Uo 为 0。测量现场温度为 100℃时,Uo 为 96. 855×(1+a)m V。设计满量程时,如果前置放大输出 Uo不能满足后续 AD 转换器输入电压的要求,调整 a,使 Uo符合 AD 转换器对输入电压的要求。
3、测量装置结构
图 3 为八路温度测量装置原理框图,是由八路测量电桥与前置放大器、AD 转换器 TLC2543、单片机 STC15W 204和液晶屏 RSI12864 组成。

3.1 AD 转换器 TLC2543
图 3 中,AD 转换器 TLC2543 为 12 bi t分辨率,11 通道 A/ D 转换器,串行 SPI与单片机接口,工作电压 5V,参考电压选取 5V。使用了 AD 转换器 TLC2543 的八个 AD 通道。一个检测周期,分时依次对八路前置放大器输出作AD 转换。
3.2 单片机 STC15W204S
图 3 中,单片机 STC15W 204S 是与 M CS51 兼容的国产高速 /低功耗单片机;DIP16 封装,4K 程序存储器 f l ash,宽工作电压 2. 4V-5. 5V。双串口,串口 1 接计算机用于下载程序,串口 2 接液晶屏用于显示实时温度。单片机STC15W 204S 具有结构简单,功能强的特点。

3.3 液晶屏 RSI12864
液晶屏 RSI12864 为单色、128×64 点阵的串口屏,接口标准可以选择 SPI接口或 RS232 接口,数据与命令传输通信格式为异步通信格式。 具有与单片机接口简单的特点。
3.4 程序设计
图 4 为程序流程图。
八路温度实时测量装置的功能是把八路薄膜铂热电阻PT1000 检测到的温度值送液晶显示。程序程序可以分成如下几个模块 :初始化模块、AD 转换模块、非线性矫正模块和显示刷新模块。每路 AD 转换均作数次采样、取平均值、非线性矫正后送入显示缓冲区,待刷新显示。

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