多通道熱電阻精密測(cè)量的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要:在長(zhǎng)線傳輸?shù)?strong>多通道熱電阻測(cè)量過程中,長(zhǎng)線傳輸帶來(lái)的附加誤差和電路工作環(huán)境變化帶來(lái)的附加誤差遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了要求的誤差。文中提出的四線制電阻信號(hào)傳輸解決了長(zhǎng)線傳輸帶來(lái)的附加誤差;自校正電阻測(cè)量法是通過比較三組測(cè)量信號(hào)的相對(duì)大小求得待測(cè)電阻值,該方法的優(yōu)點(diǎn)是可以抵消測(cè)量電路中的漂移影響,從而保證在較惡劣的外界環(huán)境下能取得較高精度的測(cè)量結(jié)果。該方法已在實(shí)際應(yīng)用中得到驗(yàn)證。
在自行設(shè)計(jì)的多點(diǎn)溫度測(cè)量系統(tǒng)中,要求溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)6個(gè),測(cè)量范圍:0℃~+50℃,分辨力:±0.1℃，精度:±0.2℃。通過傳感器的比較,采用精度高、穩(wěn)定性好、回差和重復(fù)性誤差都很小的Pt100鉑電阻傳感器為測(cè)溫元件,若達(dá)到0.1℃的溫度分辨力0.2℃的精度，電阻測(cè)量的分辨力需小于0.025Ω、精度小于0.05Ω。
　　在傳感器安裝過程中,需要配置最長(zhǎng)達(dá)60m的引線,引線電阻及引線長(zhǎng)度的離散性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了給定的精度的要求,同時(shí)測(cè)量電路工作環(huán)境的溫度也在發(fā)生變化,測(cè)量電路漂移的影響尤為突出。要達(dá)到上述測(cè)量指標(biāo),必須采取一定措施。本文提出一種基于“四線制電阻信號(hào)傳輸和自校正電阻測(cè)量法”的測(cè)量方法,能有效克服引線和漂移的影響,取得了較好的測(cè)量效果。
1.熱電阻測(cè)量誤差分析
　　熱電阻常規(guī)測(cè)量方法是通過施加恒定的電流將電阻值變?yōu)殡妷哼M(jìn)行測(cè)量、測(cè)量方法如圖1所示,這種測(cè)量方法有多種誤差來(lái)源。
 
1.1引線問題
　　如圖1所示,R為待測(cè)熱電阻,r為ui引線電阻,如果用兩線制傳輸,則測(cè)得的總電阻為：
Z=ui/I=R+2r
　　從上式中可以看出,用兩線制傳輸傳輸,會(huì)帶來(lái)2r的測(cè)量誤差。測(cè)量系統(tǒng)中用的傳輸線每米電阻為0.061Ω,2r為0.122Ω。該系統(tǒng)中測(cè)量元件(熱電阻)與測(cè)量電路連線較長(zhǎng),該系統(tǒng)需要配置最長(zhǎng)達(dá)60m的引線，系統(tǒng)中鉑電阻每變化1℃時(shí)的電阻變化約為0.398Ω左右,引線每變化1m,會(huì)帶來(lái)0.3℃的測(cè)量誤差,所以必須消除引線電阻帶來(lái)的誤差。
1.2漂移問題
　　系統(tǒng)要求測(cè)量裝置具有很高的環(huán)境適應(yīng)性,其測(cè)量電路的漂移就顯得尤為突出。系統(tǒng)要求,溫度分辨力為0.1℃,對(duì)應(yīng)Pt100的阻值變化約為0.04Ω。取恒流源為0.5mA(此值必須適中,過大則電阻的自發(fā)熱不能忽略;過小則電阻上電壓信號(hào)小,影響輸出的信噪比),該電流在0.04Ω的壓降為0.02mV。這就是系統(tǒng)在輸入端所要求的分辨力。
　　假設(shè)環(huán)境等因素引起的恒流源的變化為△I,對(duì)應(yīng)Pt100上的電壓變化△V=R△l≈100△/(Pt100的.電阻按0℃時(shí)的中間值100Ω估算)。為保證系統(tǒng)的精度要求,在整個(gè)使用環(huán)境條件下,必須有△I<△V/R=0.0004mA,即恒流源的變化必須滿足△I<0.4μA。顯然這個(gè)要求是相當(dāng)苛刻的。
　　事實(shí)上，測(cè)量誤差還必須考慮其它環(huán)節(jié)的影響。如測(cè)溫元件的長(zhǎng)引線電阻變化對(duì)恒流源的影響;放大及信號(hào)調(diào)理電路中,運(yùn)算放大器的失調(diào)電壓、放大倍數(shù)以及零點(diǎn)電壓的漂移;后級(jí)的AD轉(zhuǎn)換器的漂移等以及電源電壓的變化等[5]。最終對(duì)電路元器件的要求將會(huì)更加苛刻。如果采用圖1方案,則只有全部使用精度很高、溫漂極小的元件,才有可能滿足系統(tǒng)的測(cè)量精度要求。這在工程上實(shí)現(xiàn)起來(lái)有一定的難度。
2四線制電阻信號(hào)傳輸和自校正電阻測(cè)量法
2.1四線制電阻信號(hào)傳輸
　　圖2所示為四線制接線法的電阻測(cè)量電路,其原理是電流源走2條線(對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)Hc、Le),回饋的電壓信號(hào)走2條線(對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)Hp、Lp)。因?yàn)殡妷夯仞伨€不流電流,因此外接引線沒有壓降。輸入的電壓信號(hào)只是熱電阻兩端的電壓,消除了引線電阻造成的影響。
 
2.2.6通道自校正熱電阻測(cè)量原理
　　在電路漂移存在的情況下,利用其變化緩慢的特點(diǎn),通過對(duì)3個(gè)電阻的3個(gè)測(cè)量值的比較,可抵消漂移的影響。
 
　　如圖3中,R1、R2為精密標(biāo)準(zhǔn)電阻,R3~R8為6個(gè)待測(cè)熱電阻,恒流源同時(shí)向8個(gè)串聯(lián)的電阻供電，電路中8個(gè)電阻上的信號(hào)電壓通過模擬開關(guān)的切換,分時(shí)送給同一個(gè)放大調(diào)理電路,信號(hào)處理后輸送至A/D轉(zhuǎn)換器及微控制器。設(shè)對(duì)應(yīng)于R1、R2通路輸出的A/D結(jié)果為D01、D02,R3~R8為6個(gè)待測(cè)熱電阻通路輸出的A/D結(jié)果分別為Doa~D&，為書寫方便,簡(jiǎn)記為DoT,則有:
D01=K1×R1+D1ƒ
D02=K2×R2+D2ƒ
DoT=KT×RT+DTƒ
　　式中:K1、K2、KT分別為從電阻加載電流源變?yōu)殡妷盒盘?hào)、經(jīng)調(diào)理電路至A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果中的比例系數(shù);D1ƒ.D2ƒ、DTƒ分別為經(jīng)調(diào)理電路至A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果中的零點(diǎn)(包括漂移部分)。因?yàn)檎麄€(gè)處理過程為線性處理,所以A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果與電阻可以用上述表達(dá)式。
　　信號(hào)傳遞通道中的模擬開關(guān),因?yàn)槠浜罄m(xù)部分為輸入阻抗非常大的儀表放大器,因而開關(guān)上幾乎沒有電流只傳遞電壓信號(hào)，經(jīng)過每個(gè)電阻(R1、R2R3~R8)的電流相等,且其導(dǎo)通電阻本身及其不均勻性的影響都可忽略;每個(gè)電阻(R1、R2,R3~R8)經(jīng)模擬開關(guān)后的后續(xù)電路是同一個(gè)電路,而后續(xù)電路的參數(shù)及電流源的大小在短時(shí)間(秒級(jí))內(nèi)是不變的,即:K1=K2=KT;D1ƒ=D2ƒ;=DTƒ;由測(cè)得的A/D值D01、D02、D0T可解出:
 
　　顯然,RT只取決于測(cè)量結(jié)果的相對(duì)值，漂移對(duì)測(cè)量的影響被抵消了。可見,此方法對(duì)整個(gè)電路的漂移都具有實(shí)時(shí)的自校正功能。與其它具有溫度補(bǔ)償功能的測(cè)量方案[1.]1相比,它不需要測(cè)量?jī)x器的環(huán)境溫度,也無(wú)須進(jìn)行復(fù)雜的軟件計(jì)算,且電路簡(jiǎn)單、調(diào)試方便,因而更具實(shí)用性。
　　上述電路中采用了“四線制”接法克服了長(zhǎng)引線電阻帶來(lái)的誤差。
3.6路熱電阻測(cè)量的實(shí)現(xiàn)
3.1測(cè)量電路與計(jì)算處理
　　如圖3,R1、R2采用精度為±0.01%、溫度系數(shù)為+2ppm的標(biāo)準(zhǔn)電阻,即使工作環(huán)境溫度有±30℃的變化,相應(yīng)阻值變化也僅有0.006%,可忽略不計(jì)而視其為已知的常數(shù)。其他模擬電路中均選取常規(guī)元器件;8x2模擬開關(guān)選用ADG507;A/D轉(zhuǎn)換器選用16位帶數(shù)字濾波功能的AD7715，其非線性誤差為0.0015%;微控制器選用P89LPC935。按照公式:
 
　　在程序計(jì)算中,熱電阻計(jì)算至0.001Ω公式中前半部分具體計(jì)算公式為20000x(D0T-D01),再除以(D02-D01),公式中后半部按100000處理,這樣就保證了計(jì)算精度。
3.2測(cè)量誤差分析
根據(jù)公式:
 
　　A/D轉(zhuǎn)換器為16位，其非線性誤差為0.0015%,由a所引起的測(cè)量誤差比上述的誤差小一個(gè)數(shù)量級(jí)，予以忽略。
3.3測(cè)量結(jié)果
　　為了進(jìn)行對(duì)比做了兩種試驗(yàn):
(1)先在室溫(25℃)下用標(biāo)準(zhǔn)電阻替代待測(cè)電阻(Pt100)對(duì)電路進(jìn)行校準(zhǔn)。將測(cè)量電路部分放在恒溫箱內(nèi),不采用校正法的公式,直接讀取每一路的A/D轉(zhuǎn)換值。恒溫箱溫度從25℃~50℃變化,讀出的A/D轉(zhuǎn)換值漂移很大,折合電阻值變化最大為0.5Ω。
(2)先在室溫下用標(biāo)準(zhǔn)電阻替代待測(cè)電阻(P1100)對(duì)電路進(jìn)行校準(zhǔn)。將測(cè)量電路部分放在恒溫箱內(nèi),恒溫箱溫度從25℃-50℃變化，采用校正法的公式進(jìn)行計(jì)算,讀出的電阻值如表1所示,最大誤差小于0.02Ω。表中.的數(shù)據(jù)選取的是6路中誤差最大的一路數(shù)據(jù)。
 
　　實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，直接測(cè)量法受環(huán)境影響很大,其測(cè)算出的數(shù)據(jù)誤差很大，不能滿足精度要求;而同樣的核心電路,經(jīng)過三電阻法的自校正處理，測(cè)量結(jié)果受環(huán)境影響的程度得到很大修正,可滿足系統(tǒng)測(cè)溫的要求。
4結(jié)語(yǔ)
　　在設(shè)計(jì)的測(cè)溫系統(tǒng)中,熱電阻采用四線制連接,測(cè)量電路采用基于自校正思想的三電阻測(cè)量法,在.對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的處理上,采用分段線性化的方法解決Pt100的非線性問題,同時(shí)配合數(shù)值濾波等軟件處理。整個(gè)系統(tǒng)滿足分辨力為±0.1℃、精度為土0.2℃的設(shè)計(jì)要求。該測(cè)溫系統(tǒng)在中微子探測(cè)器穩(wěn)定性監(jiān)控技術(shù)研究中得到了實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明,系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠,滿足設(shè)計(jì)要求。