多通道熱電阻精密測量的設計與實(shí)現

摘要:在長(cháng)線(xiàn)傳輸的多通道熱電阻測量過(guò)程中,長(cháng)線(xiàn)傳輸帶來(lái)的附加誤差和電路工作環(huán)境變化帶來(lái)的附加誤差遠遠超過(guò)了要求的誤差。文中提出的四線(xiàn)制電阻信號傳輸解決了長(cháng)線(xiàn)傳輸帶來(lái)的附加誤差;自校正電阻測量法是通過(guò)比較三組測量信號的相對大小求得待測電阻值,該方法的優(yōu)點(diǎn)是可以抵消測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量結果。該方法已在實(shí)際應用中得到驗證。
在自行設計的多點(diǎn)溫度測量系統中,要求溫度監測點(diǎn)6個(gè),測量范圍:0℃~+50℃,分辨力:±0.1℃，精度:±0.2℃。通過(guò)傳感器的比較,采用精度高、穩定性好、回差和重復性誤差都很小的Pt100鉑電阻傳感器為測溫元件,若達到0.1℃的溫度分辨力0.2℃的精度，電阻測量的分辨力需小于0.025Ω、精度小于0.05Ω。
　　在傳感器安裝過(guò)程中,需要配置最長(cháng)達60m的引線(xiàn),引線(xiàn)電阻及引線(xiàn)長(cháng)度的離散性遠遠超過(guò)了給定的精度的要求,同時(shí)測量電路工作環(huán)境的溫度也在發(fā)生變化,測量電路漂移的影響尤為突出。要達到上述測量指標,必須采取一定措施。本文提出一種基于“四線(xiàn)制電阻信號傳輸和自校正電阻測量法”的測量方法,能有效克服引線(xiàn)和漂移的影響,取得了較好的測量效果。
1.熱電阻測量誤差分析
　　熱電阻常規測量方法是通過(guò)施加恒定的電流將電阻值變?yōu)殡妷哼M(jìn)行測量、測量方法如圖1所示,這種測量方法有多種誤差來(lái)源。
 
1.1引線(xiàn)問(wèn)題
　　如圖1所示,R為待測熱電阻,r為ui引線(xiàn)電阻,如果用兩線(xiàn)制傳輸,則測得的總電阻為：
Z=ui/I=R+2r
　　從上式中可以看出,用兩線(xiàn)制傳輸傳輸,會(huì )帶來(lái)2r的測量誤差。測量系統中用的傳輸線(xiàn)每米電阻為0.061Ω,2r為0.122Ω。該系統中測量元件(熱電阻)與測量電路連線(xiàn)較長(cháng),該系統需要配置最長(cháng)達60m的引線(xiàn)，系統中鉑電阻每變化1℃時(shí)的電阻變化約為0.398Ω左右,引線(xiàn)每變化1m,會(huì )帶來(lái)0.3℃的測量誤差,所以必須消除引線(xiàn)電阻帶來(lái)的誤差。
1.2漂移問(wèn)題
　　系統要求測量裝置具有很高的環(huán)境適應性,其測量電路的漂移就顯得尤為突出。系統要求,溫度分辨力為0.1℃,對應Pt100的阻值變化約為0.04Ω。取恒流源為0.5mA(此值必須適中,過(guò)大則電阻的自發(fā)熱不能忽略;過(guò)小則電阻上電壓信號小,影響輸出的信噪比),該電流在0.04Ω的壓降為0.02mV。這就是系統在輸入端所要求的分辨力。
　　假設環(huán)境等因素引起的恒流源的變化為△I,對應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(mǎn)足△I<0.4μA。顯然這個(gè)要求是相當苛刻的。
　　事實(shí)上，測量誤差還必須考慮其它環(huán)節的影響。如測溫元件的長(cháng)引線(xiàn)電阻變化對恒流源的影響;放大及信號調理電路中,運算放大器的失調電壓、放大倍數以及零點(diǎn)電壓的漂移;后級的AD轉換器的漂移等以及電源電壓的變化等[5]。最終對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(mǎn)足系統的測量精度要求。這在工程上實(shí)現起來(lái)有一定的難度。
2四線(xiàn)制電阻信號傳輸和自校正電阻測量法
2.1四線(xiàn)制電阻信號傳輸
　　圖2所示為四線(xiàn)制接線(xiàn)法的電阻測量電路,其原理是電流源走2條線(xiàn)(對應的節點(diǎn)Hc、Le),回饋的電壓信號走2條線(xiàn)(對應的節點(diǎn)Hp、Lp)。因為電壓回饋線(xiàn)不流電流,因此外接引線(xiàn)沒(méi)有壓降。輸入的電壓信號只是熱電阻兩端的電壓,消除了引線(xiàn)電阻造成的影響。
 
2.2.6通道自校正熱電阻測量原理
　　在電路漂移存在的情況下,利用其變化緩慢的特點(diǎn),通過(guò)對3個(gè)電阻的3個(gè)測量值的比較,可抵消漂移的影響。
 
　　如圖3中,R1、R2為精密標準電阻,R3~R8為6個(gè)待測熱電阻,恒流源同時(shí)向8個(gè)串聯(lián)的電阻供電，電路中8個(gè)電阻上的信號電壓通過(guò)模擬開(kāi)關(guān)的切換,分時(shí)送給同一個(gè)放大調理電路,信號處理后輸送至A/D轉換器及微控制器。設對應于R1、R2通路輸出的A/D結果為D01、D02,R3~R8為6個(gè)待測熱電阻通路輸出的A/D結果分別為Doa~D&，為書(shū)寫(xiě)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?、?jīng)調理電路至A/D轉換結果中的比例系數;D1ƒ.D2ƒ、DTƒ分別為經(jīng)調理電路至A/D轉換結果中的零點(diǎn)(包括漂移部分)。因為整個(gè)處理過(guò)程為線(xiàn)性處理,所以A/D轉換結果與電阻可以用上述表達式。
　　信號傳遞通道中的模擬開(kāi)關(guān),因為其后續部分為輸入阻抗非常大的儀表放大器,因而開(kāi)關(guān)上幾乎沒(méi)有電流只傳遞電壓信號，經(jīng)過(guò)每個(gè)電阻(R1、R2R3~R8)的電流相等,且其導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(kāi)關(guān)后的后續電路是同一個(gè)電路,而后續電路的參數及電流源的大小在短時(shí)間(秒級)內是不變的,即:K1=K2=KT;D1ƒ=D2ƒ;=DTƒ;由測得的A/D值D01、D02、D0T可解出:
 
　　顯然,RT只取決于測量結果的相對值，漂移對測量的影響被抵消了?？梢?jiàn),此方法對整個(gè)電路的漂移都具有實(shí)時(shí)的自校正功能。與其它具有溫度補償功能的測量方案[1.]1相比,它不需要測量?jì)x器的環(huán)境溫度,也無(wú)須進(jìn)行復雜的軟件計算,且電路簡(jiǎn)單、調試方便,因而更具實(shí)用性。
　　上述電路中采用了“四線(xiàn)制”接法克服了長(cháng)引線(xiàn)電阻帶來(lái)的誤差。
3.6路熱電阻測量的實(shí)現
3.1測量電路與計算處理
　　如圖3,R1、R2采用精度為±0.01%、溫度系數為+2ppm的標準電阻,即使工作環(huán)境溫度有±30℃的變化,相應阻值變化也僅有0.006%,可忽略不計而視其為已知的常數。其他模擬電路中均選取常規元器件;8x2模擬開(kāi)關(guān)選用ADG507;A/D轉換器選用16位帶數字濾波功能的AD7715，其非線(xiàn)性誤差為0.0015%;微控制器選用P89LPC935。按照公式:
 
　　在程序計算中,熱電阻計算至0.001Ω公式中前半部分具體計算公式為20000x(D0T-D01),再除以(D02-D01),公式中后半部按100000處理,這樣就保證了計算精度。
3.2測量誤差分析
根據公式:
 
　　A/D轉換器為16位，其非線(xiàn)性誤差為0.0015%,由a所引起的測量誤差比上述的誤差小一個(gè)數量級，予以忽略。
3.3測量結果
　　為了進(jìn)行對比做了兩種試驗:
(1)先在室溫(25℃)下用標準電阻替代待測電阻(Pt100)對電路進(jìn)行校準。將測量電路部分放在恒溫箱內,不采用校正法的公式,直接讀取每一路的A/D轉換值。恒溫箱溫度從25℃~50℃變化,讀出的A/D轉換值漂移很大,折合電阻值變化最大為0.5Ω。
(2)先在室溫下用標準電阻替代待測電阻(P1100)對電路進(jìn)行校準。將測量電路部分放在恒溫箱內,恒溫箱溫度從25℃-50℃變化，采用校正法的公式進(jìn)行計算,讀出的電阻值如表1所示,最大誤差小于0.02Ω。表中.的數據選取的是6路中誤差最大的一路數據。
 
　　實(shí)驗數據表明，直接測量法受環(huán)境影響很大,其測算出的數據誤差很大，不能滿(mǎn)足精度要求;而同樣的核心電路,經(jīng)過(guò)三電阻法的自校正處理，測量結果受環(huán)境影響的程度得到很大修正,可滿(mǎn)足系統測溫的要求。
4結語(yǔ)
　　在設計的測溫系統中,熱電阻采用四線(xiàn)制連接,測量電路采用基于自校正思想的三電阻測量法,在.對測量數據的處理上,采用分段線(xiàn)性化的方法解決Pt100的非線(xiàn)性問(wèn)題,同時(shí)配合數值濾波等軟件處理。整個(gè)系統滿(mǎn)足分辨力為±0.1℃、精度為土0.2℃的設計要求。該測溫系統在中微子探測器穩定性監控技術(shù)研究中得到了實(shí)際應用結果表明,系統工作穩定可靠,滿(mǎn)足設計要求。