精度高三線(xiàn)制熱電阻檢測方法

摘要:介紹了一種恒壓分壓法測量三線(xiàn)制熱電阻阻值的方法,使用放大器0PA334與24位分辨率Σ-Δ型A/D轉換器AD7714Y設計了簡(jiǎn)潔的輸人檢測電路。檢測過(guò)程補償了導線(xiàn)電阻影響、接觸熱電勢影響及放大器輸人漏電流等誤差因素。介紹了測量電路自身基準參數的數字校準方法。對于Pt100熱電阻,檢測分辨率達到0.001Ω,在0~400℃范圍內,熱電阻測量的絕對誤差小于0.01Ω。該測量方法具有精度高、量程寬、成本低及低功耗等特點(diǎn),能夠廣泛應用于各類(lèi)精度高測溫儀表。
1.引言
　　溫度參數是目前工業(yè)生產(chǎn)中最常用的生產(chǎn)過(guò)程參數之一,對溫度的測量雖然有許多不同的方法,但熱電阻憑借其優(yōu)良的特性成為目前工業(yè)上溫度測量中應用最廣泛的傳感元件之一。隨著(zhù)精細化工、微電子、生物工程等技術(shù)的發(fā)展,對溫度的精度高檢測要求也越來(lái)越高,許多實(shí)驗室與工業(yè)生產(chǎn)環(huán)節中，經(jīng)常要求溫度的測量精度為0.1%以上,有些要求絕對誤差小于0.1℃。在各種檢驗設備中,如檢驗用恒溫槽要求設備能夠提供分辨率達到0.01℃等級的精度高溫度指示,這就要求要作到對溫度的精度高測量。又如,在配置熱電阻傳感器的智能型二線(xiàn)制一體化溫度變送器中,也要求對溫度有精度高地測量,這樣才能夠保證變送器在全量程范圍內的精度高。提出的三線(xiàn)制熱電阻測溫方法對于Pt100熱電阻,檢測分辨率達到0.001Ω,在0~400℃范圍內，熱電阻測量的絕對誤差小于0.01Ω。具有精度高、量程寬、成本低及低功耗等特點(diǎn),能夠廣泛應用于各類(lèi)精度高測溫儀表。
2傳感器檢測電路設計及三線(xiàn)制熱電阻溫度檢測基本原理
　　熱電阻溫度傳感器被廣泛應用于工業(yè)測溫場(chǎng)合,尤其是鉑電阻具有高穩定性和良好的復現性,也被用來(lái)作為溫度基準儀器”。所涉及的設計都是以Pt100傳感器為例的,檢測電路采用3V電源供電,整個(gè)檢測電路工作電流約1.6mA。全部器件均選用工業(yè)級溫度產(chǎn)品,主要圍繞高測量精度目標進(jìn)行設計，同時(shí)兼顧低功耗性能。
　　圖1是信號輸人部分電路原理圖,采用典型的三線(xiàn)制工業(yè)應用方式檢測熱電阻信號,并同時(shí)剔除導線(xiàn)影響。電路未采用常用的恒流驅動(dòng),而是具體采用了恒壓法,電阻分壓的方式采樣。電路極其簡(jiǎn)潔,僅使用一片運算放大器0PA334與一片A/D轉換器AD7714Y就完成了熱電阻信號三線(xiàn)制方式的輸人檢測。通過(guò)兩次采樣和軟件處理后,能夠完全剔除導線(xiàn)影響，并能夠獲得精度高的熱電阻阻值。AD7714Y為24位的Σ-Δ型A/D轉換器,具有帶緩沖的兩路差分輸人和可編程前置放大器,線(xiàn)性度為0.0015%,具有自動(dòng)校準功能,能夠適應大的信號動(dòng)態(tài)范圍,因此能夠充分保證傳感器的全量程精度。同時(shí)它運行功耗小于600μA,掉電時(shí)功耗小于10μA,非常適合用來(lái)設計低功耗精度高的檢測電路。
 
　　如圖1所示,電阻Rr接成了三線(xiàn)制,R,為三根導線(xiàn)電阻,隨應用場(chǎng)合不同,RL阻值不定,一般每根導線(xiàn)電阻在5Ω之內。電阻與測量電路以A、B、C三點(diǎn)連接,實(shí)際上是與電阻R構成了對電壓VR的分壓電路。這里R=3kΩ，基準電壓VR由MAX6161提供,具體為1.25V,它通過(guò)0PA334緩沖后加在分壓電路上。0PA334是失調漂移小.于0.05μV/℃的放大器,同時(shí)具有掉電功能,這里使用它做緩沖的目的是進(jìn)行接觸熱電勢影響及放大器輸人漏電流等誤差補償,具體在第3節介紹。由于采用單電源,為保證信號在A(yíng)D7714Y的差動(dòng)輸人范圍內,基準電壓的負端VR_不是直接接地的,而是通過(guò)一-只肖特基二極管IN5818接地,人為提供了約200mV對地偏置電壓。
　　具體的導線(xiàn)電阻補償需要采用2次采樣后運算處理。當在VR和R是已知的前提下,通過(guò)檢測VAB和VAC,就能夠通過(guò)計算的方法得到Rr,從而求的實(shí)際溫度。VAB和VAC的檢測由AD7714Y完成,它設置為雙極性輸人和3個(gè)準差分輸人方式。通道1檢測VAC,通道2檢測VAB,前置PGA的放大倍數由具體熱電阻型號及測溫范圍決定。參見(jiàn)圖1,可以獲得關(guān)于VAB和VAC的關(guān)系式(1)和(2),它們實(shí)際上是以RT和RL為未知數的二元一次方程,通過(guò)求解,可以獲得RT,即關(guān)系式(3)。在此，RL則可以看作過(guò)程中的無(wú).關(guān)變量,對RT沒(méi)有任何影響,被徹底剔除。
 
　　獲得R，后,采用國際溫標ITS-90中給出的RT(t)多項式函數公式RT=R0(1+At+Bt²+Ct³)，通過(guò)迭代試差法即可精確求解出實(shí)際的溫度值具體結果精度可以通過(guò)設置結果偏差人為控制，理論上,迭代獲得的對應溫度值能夠做到與函數曲線(xiàn)基本完全擬合。
3接觸熱電勢影響及放大器輸入漏電流等.誤差因素補償方法
　　在第2節對三線(xiàn)制檢測原理的描述中,式(1)~(2)都是在理想狀態(tài)下的方程。實(shí)際上，測量信號中還包含有接觸熱電勢影響及放大器輸人漏電流等影響因素。
　　以傳感器直接與儀表連接的現場(chǎng)溫度儀表為背景,以VAc的檢測為例進(jìn)行分析,它主要包含了熱電阻與2條導線(xiàn)在恒壓環(huán)節中的分壓。同時(shí)，兩條導線(xiàn)與電阻存在兩個(gè)不同金屬材質(zhì)的接點(diǎn),引線(xiàn)一般為銀線(xiàn),這兩個(gè)接點(diǎn)為鉑-銀接點(diǎn);兩條導線(xiàn)又引出后連接在接線(xiàn)端子上,接線(xiàn)端子一般為銅質(zhì)合金,又增加兩個(gè)銀-銅合金接點(diǎn);端子將信號引人放大器至少又要增加一-對銅合金一銅接點(diǎn)。這些成對的接點(diǎn)如果所處位置溫度略有不同，就會(huì ).帶來(lái)額外的熱電勢。AD7714Y在使用輸人緩沖器的前提下,標稱(chēng)輸人漏電流為1nA,這個(gè)電流是不確定的,它也將在電阻上產(chǎn)生微小的額外壓降。因此,理論上的實(shí)際VAC和VAB可以用式(4)、(5)來(lái)表示:
 
　　式中:VACt為A/D轉換器實(shí)際在A(yíng).C兩端獲得的采樣值,EAC為A、C兩個(gè)端點(diǎn)環(huán)路中產(chǎn)生的熱電勢總和,(RT+2RL)·1B為A/D輸人漏電流引人的附加電勢,VAc為消除了所有附加誤差后的真實(shí)理論值。由式(4)可見(jiàn),只要分兩次分別測量出VACt與EAC+(RT+2Rl)·lB就可以獲得計算所需的VAc理論值了。參見(jiàn)圖1,具體的兩次測量由控制器使用OPA334來(lái)完成，0PA334是TI公司的一款單電源低功耗運算放大器,同時(shí)具有掉電功能。0PA334帶有-個(gè)ENABLE控制端，當它為高電平時(shí),放大器正常工作，當它為低電平時(shí),放大器掉電進(jìn)人低功耗狀態(tài),同時(shí)它的輸出變?yōu)楦咦杩範顟B(tài)。就是利用它的這個(gè)功能來(lái)實(shí)現兩次檢測的。實(shí)現令ENABLE=1,A/D采集到VACt再令ENABLE=0,此時(shí)放大器關(guān)閉,加在分壓環(huán)路中的VR=0,此時(shí)采集A、C兩端信號，即可以獲得EAC+(RT+2RL)·lB。0PA334通過(guò)D2后構成跟隨器的目的是當它關(guān)閉后,盡管輸出高阻狀態(tài)下有漏電流,但由于R2的作用,放大器輸出仍接近于零,D2處于約200mV微弱反偏置狀態(tài),漏電流為pA級,可以忽略不計。同樣,對于VAB的理論值也可以同樣處理后獲得,通過(guò)4次測量，就可以獲得VAB與VAc的理論值,完成了對接觸熱電勢影響及放大器輸人漏電流誤差因素的.修正。
4電路基準參數R與VR的誤差修正數字校準方法
　　對于第2節中的溫度檢測方案設計,求解測量溫度的過(guò)程中是把R和VR都作為已知參數來(lái)處理的,但實(shí)際上它們的標稱(chēng)值是有初始誤差的,解決的辦法就是對它們進(jìn)行校準。具體方法是使用2個(gè)不同電阻值的模擬電阻來(lái)進(jìn)行2次測量，然后求解出R和VR,模擬電阻使用精度高電阻箱ZX78給出。例如,對于Pt100電阻體的量程范圍，第1次接人Rn=100Ω,第2次接人RT2=200Ω,會(huì )得到兩組共4個(gè)等式(6)~(9),其中僅有RL、R和VR三個(gè)未知數,使用其中3個(gè)等式求解即可獲得校準后的R和VR具體為式(10)~(12),其中R是-一個(gè)中間變量。
 
　　把獲得的校準值存人控制系統中的非易失存儲器中就可以作為正式測量R,時(shí)的已知參數使用,至此，完成了測量通道的數字校準工作。通過(guò)第1節和第2節的誤差修正與基準校準后,就可以使用式(3)最終求解出真實(shí)的熱電阻阻值RT,從而計算出實(shí)際測量的溫度值。
5具體電路設計與參數選擇要點(diǎn)
　　2~4節從理論上對三線(xiàn)制鉑電阻的精度高檢測進(jìn)行了分析,把理論落實(shí)到真正的電路上仍要考慮很多具體細節問(wèn)題。
　　首先是基準VR與R的選取問(wèn)題,它們必須保證足夠的穩定性。選擇了1.25V輸出的MAX6161作為VR的基準源,它的典型溫度系數為5x10^-6/℃,同時(shí)它的基準供應對象都是高阻抗端,沒(méi)有負載電流波動(dòng)因素,能夠保證足夠的穩定度?；鶞孰娮鑂則選擇了穩定度優(yōu)于5x10^-6/℃的電阻,正常使用功率是1/4W,在小功率使用時(shí)無(wú)自熱問(wèn)題,能夠保證穩定性。
　　對于熱電阻檢測,必須考慮它本身自熱誤差問(wèn)題，即必須限制它本身的驅動(dòng)電流。常用的Pt100熱電阻驅動(dòng)電流為1mA左右,0℃時(shí)空氣中的自熱系數為5mW/℃左右。檢測電路以Pt100熱電阻檢測對象,R取3kΩ,AD7714Y內置PGA設定為8倍。0℃時(shí)工作驅動(dòng)電流約0.4mA,自熱功率約為0.016mW,但由于采樣過(guò)程中只有一-半時(shí)間熱電阻處于驅動(dòng)狀態(tài),實(shí)際自熱功率只有約0.008mW,熱電阻因驅動(dòng)電流產(chǎn)生的自熱僅帶來(lái)約0.002℃的誤差,可以忽略不計。
　　具體設計中對系統電源作了精心處理,主電源采用SP1117-3從5V系統中獲得了高穩定的系統公用3V電源，同時(shí)對于模擬部分的放大器及A/D模擬電源均將主電源經(jīng)LC濾波后提供。電路板的設計首先遵循AD7714Y手冊的基本要求敷設必要的模擬地平面擴散區,同時(shí)保證所有模擬信號地采用星形接地連接。
6測試
　　為圖1電路配置了一片P89LPC932單片機和---塊3V電源串行驅動(dòng)的128x32點(diǎn)陣LCD模塊,用單片機P2口定義了4個(gè)按鍵,編制了簡(jiǎn)單的軟件對電路進(jìn)行了測試。使用電阻箱模擬熱電阻,連接成標準3線(xiàn)制方式，導線(xiàn)使用2m長(cháng)的3根1.5mm²的多股銅絞合線(xiàn)模擬，導線(xiàn)與線(xiàn)路板直接焊接。測試前對電路的VR與R兩個(gè)基準參數進(jìn)行了校準，然后進(jìn)行正式檢測。
　　首先進(jìn)行分辨率測試。使用最小分辨率為0.001Ω，的SB2015-4型電阻箱模擬熱電阻,基準電阻設置為100Ω。改變最小步進(jìn)檔進(jìn)行分辨率檢測,每撥動(dòng)一檔,顯示值波動(dòng)0.001~0.002Ω,說(shuō)明分辨率達到了0.001Ω。
　　第二步進(jìn)行精度測試。熱電阻使用精度為0.005%的精度高電阻箱ZX78模擬，為避免因采用分度標準不同而造成結果溫度差異,測試僅對絕對電阻值進(jìn)行了檢測,軟件中對采樣結果進(jìn)行了簡(jiǎn)單的滑動(dòng)平均濾波處理。具體在0~400C范圍內對應的阻值區間檢測了4點(diǎn),結果見(jiàn)表1。
 
　　由表1可以對誤差進(jìn)行簡(jiǎn)單分析。檢測最大絕對誤差0.006Ω,最小絕對誤差0.001Ω。在100Ω與200Ω兩個(gè)校準點(diǎn)上誤差最小，其他兩點(diǎn)誤差稍大。分析一下電阻箱使用的檔位情況，整個(gè)過(guò)程僅使用了100Ω與200Ω兩個(gè)x100檔和一個(gè)50Ω的x10檔,再分析150Ω與250Ω兩個(gè)檢測結果,能夠明顯發(fā)現最大誤差是50Ω檔位帶來(lái)的，因為這個(gè)檔位不是校準點(diǎn)，精度僅由電阻箱的基本精度來(lái)保證。以最大絕對誤差0.006Ω計算,對應ITS-90標準分度表,以0℃時(shí)3850x10^-6/℃的靈敏度計算,測試過(guò)程中的最大溫度檢測絕對誤差僅約為0.016℃,獲得的溫度結果精度相當高。
7結論
　　具有較高的精度和較低的功耗,同時(shí)電路簡(jiǎn)潔成本低?？梢杂糜诰雀邤底譁囟扔?、便攜式溫度計、大量程比智能溫度變送器等設計中,同時(shí)對于便攜式精度高測量類(lèi)儀器的設計具有一定的借鑒和參考價(jià)值。