熱電阻溫度測量引線(xiàn)電阻消除方法

摘要:在熱電阻測量溫度的應用場(chǎng)合中，引線(xiàn)電阻的存在會(huì )對溫度測量精度產(chǎn)生影響。首先，詳細論述了引線(xiàn)電阻對熱電阻溫度測量精度產(chǎn)生影響的原因，并就現在兩種主流的消除引線(xiàn)電阻方法從原理、算法、以及優(yōu)缺點(diǎn)方面進(jìn)行了分析。
       在工業(yè)過(guò)程控制領(lǐng)域，精度高溫度測量是一種很常見(jiàn)的測量參數。工業(yè)上常用的溫度傳感器有熱電阻和熱電偶，由于熱電偶測量的是相對溫度，需要冷端補償，導致測量結果不準，所以熱電偶一般適用于測量500℃以上的較高溫度。而熱電阻不存在冷端補償的問(wèn)題，精度高，性能穩定，線(xiàn)性度好。常用的熱電阻有兩線(xiàn)制、三線(xiàn)制和四線(xiàn)制，三線(xiàn)制熱電阻由于實(shí)現成本較低，接線(xiàn)較方便，是目前應用多的一.種方法。
1熱電阻測溫工作原理
      與熱電偶的測溫原理不同的是，熱電阻是基于電阻的熱效應進(jìn)行溫度測量的，即電阻體的阻值隨溫度的變化而變化的特性。因此，只要測量出感溫熱電阻的阻值變化，就可以測量出溫度。
一般的處理方式是溫度變送器通過(guò)給熱電阻施加-已知激勵電流測量其兩端電壓的方法得到電阻值(電壓/電流)，再將電阻值轉換成溫度值，從而實(shí)現溫度測量。目前應用最廣泛的熱電阻材料是鉑和銅。鉑電阻精.度高，適用于中性和氧化性介質(zhì)，穩定性好，具有--定的非線(xiàn)性，溫度越高電阻變化率越小;銅電阻在測溫范圍內電阻值和溫度呈線(xiàn)性關(guān)系，溫度線(xiàn)數大，適用于無(wú)腐蝕介質(zhì)，超過(guò)150℃易被氧化，所以普遍采用銅熱電阻來(lái)測量-50℃~150℃的溫度。國內常用的熱電阻材料有:R0=10Ω、R0=100Ω和R0=1000Ω等，它們的分度號分別為P10、Pu100、P1000;銅電阻有:R0=50Ω和R0=100Ω兩種，它們的分度號為Cu50和Cu100,RO表示熱電阻材料在溫度為0℃時(shí)對應的電阻值，其中，P100和Cu50的應用廣泛。
金屬熱電阻的電阻值和溫度，一般可以用以下的近似關(guān)系式表示，即

      式(1)中，Rt為溫度t時(shí)的阻值;R0為溫度t0(通常t0=0℃)時(shí)對應電阻值;α為熱電阻溫度系數。
2存在的問(wèn)題.
      根據國標《GB/T36293--2018火力發(fā)電廠(chǎng)“分散控制系統技術(shù)條件》中5.6條輸人輸出模件(I/O)中5.6.1.8精度要求:模擬量輸入信號(高電平)±0.1%;模擬量輸人信號(低電平)±0.15%;模擬量輸出信號±0.25%可知，對熱電阻溫度測量的精度要求為±0.15%"。
      從熱電阻的測溫原理可知，被測溫度的變化是直接通過(guò)熱電阻阻值的變化來(lái)測量的，因此，熱電阻體的引出線(xiàn)等各種導線(xiàn)電阻的變化會(huì )給溫度測量帶來(lái)影響。
      引線(xiàn)的導體電阻計算公式為:R=ρ×L/S,其中，ρ為導體電阻率，L為導體長(cháng)度，S為導體橫截面積。銅的電阻率ρ=0.017Ω:mm²/m,表示截面積1mm²長(cháng)度1m的銅絲電阻為0.017Ω。首先，在實(shí)際現場(chǎng)中，在被測熱電阻距離測量設備較遠的情況下，必須要用較長(cháng)的引線(xiàn)將被測量傳送到測量設備信號輸人端，假設引線(xiàn)線(xiàn)徑為0.5mm²引線(xiàn)長(cháng)度500m左右，這樣引線(xiàn)電阻最高可達十幾歐姆;其次，引線(xiàn)電阻的阻值會(huì )隨著(zhù)溫度的變化而改變，且阻值與溫度變化的函數關(guān)系是非線(xiàn)性的，很難找到相應的函數關(guān)系算法去消除。
      在通常工業(yè)應用場(chǎng)合中，被測熱電阻阻值范圍為0Ω~1000Ω，當熱電阻阻值越小或者引線(xiàn)越長(cháng)，則引線(xiàn)電阻對熱電阻測量精度影響就越大，這樣如果不消除引線(xiàn)電阻對熱電阻測量帶來(lái)的影響，則熱電阻溫度測量的精度不能滿(mǎn)足國標《GB/T36293--2018火力發(fā)電廠(chǎng)分散控制系統技術(shù)條件》中模擬量輸入信號(低電平)精度±0.15%的要求”。

3解決方法
      在各大分散控制系統(DCS)設計中，RTD(Resistance.TemperatureDetector)模件是基本的I0模件之一-.各個(gè)廠(chǎng)家針對引線(xiàn)電阻對RTD測量精度帶來(lái)的影響都有充分地認識，都有特殊的設計來(lái)消除此影響。下面就兩種主流的實(shí)現方案進(jìn)行詳細的分析。
方法一
      本方法使用通用的單通道AD轉換芯片即可消除引線(xiàn)電阻對RTD測量精度的影響，具體實(shí)現電路如圖1所示。
      圖1中，r為引線(xiàn)線(xiàn)阻，范圍在0Ω~20Ω范圍內，其阻值和1M相比，可忽略不計;R為熱電阻阻值，其阻值隨著(zhù)溫度變化而變化，范圍為0Ω~1000Ω。
根據深度負反饋中運算放大器兩個(gè)輸人端的電流通?？梢暈榱?，即“虛斷”的特性可知

      根據深度負反饋中運算放大器兩個(gè)輸人端之間的電壓通常非常接近于零”。即“虛短”的特性可知:Ua=Ub在電路設計時(shí)，選擇Ra=Re
       同理根據“虛斷”的特性可知

       計算可得，運算放大器第一級輸出電壓U0=-R×I,此時(shí)運算放大器輸出電壓與熱電阻阻值為線(xiàn)性關(guān)系,并且已與引線(xiàn)線(xiàn)阻r無(wú)關(guān)，即消除了引線(xiàn)電阻對熱電阻測量帶來(lái)的影響。
       同理，可計算出運算放大器第二級輸出電壓U1=R×I×R/Rd,U1接入AD轉換芯片信號輸入管腳。在實(shí)際設計中，需要根據AD轉換芯片的基準電壓來(lái)選擇Rf和Rd的電阻值，保證在熱電阻阻值(R)最大時(shí)U1的電壓范圍不超過(guò)AD轉換芯片基準電壓。
      此方法通用性較強，可配合任意通用單通道AD芯片即可實(shí)現對RTD的正確測量。

方法二.
       隨著(zhù)電子技術(shù)的發(fā)展，ADI公司推出了適用于熱電偶
       測量、RTD測量以及熱敏電阻測量的專(zhuān)用芯片。
       AD7792為適合精度高測量應用的低功耗、低噪聲、完整模擬前端、內置--個(gè)低噪聲，帶有3個(gè)差分模擬輸人的16/24位?-Δ型ADC。本方法將結合專(zhuān)用芯片AD7792的具體電路設計來(lái)分析如何消除引線(xiàn)電阻對熱電阻測量精度的影響。具體實(shí)現電路如圖2所示。
圖2中，r為線(xiàn)阻，范圍在0Ω~20Ω范圍內，R為熱電阻阻值，范圍為0Ω~1000Ω。
AD采樣第一通道輸人電壓:Uail=(R+r)×I.
AD采樣第二通道輸人電壓:Uai2=(R+2r)×I
       在軟件設計時(shí)，需要同時(shí)啟動(dòng)AD芯片的兩個(gè)輸人通道進(jìn)行采樣并得到采樣數據，然后采用如下計算公式:2Uail-Uai2=2(R+r)×I-(R+2r)×1=R×I進(jìn)行計算，由此公式可知其計算結果與熱電阻阻值為線(xiàn)性關(guān)系，并與引線(xiàn)電阻r無(wú)關(guān)，此方法同樣也消除了引線(xiàn)電阻對熱電阻測量精度的影響。
此方法電路設計簡(jiǎn)單，但是必須要配合專(zhuān)用芯片才能實(shí)現。
4結論
       本文對熱電阻測溫原理、引線(xiàn)電阻對熱電阻測量精度的影響進(jìn)行了詳細的論述，并就如何消除引線(xiàn)電阻對熱電阻測量精度帶來(lái)的影響給出了兩種解決方案。針對兩種方案分別從電路設計、計算方法以及優(yōu)缺點(diǎn)等方面進(jìn)行了詳細分析。上述兩種實(shí)現方法在DCS系統設計中均已得到廣泛的使用，效果顯著(zhù)。