多路溫度測量熱電阻非線(xiàn)性及引線(xiàn)電阻補償

摘要:熱電阻溫度測量中,熱電阻的非線(xiàn)性不平衡電橋的非線(xiàn)性及連線(xiàn)電阻都會(huì )給測量帶來(lái)誤差,多路測量中模擬多路開(kāi)關(guān)的應用也會(huì )給測量造成不良影響,本文通過(guò)恒流源及模擬多路開(kāi)關(guān)的合理應用克服了上述誤差,在某測量?jì)x表中實(shí)現了精度高的16路溫度測量。
       溫度的精度高測量是工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的一個(gè)重要問(wèn)題。目前使用比較廣泛的溫度傳感器有4類(lèi):熱電阻、熱電偶熱敏電阻及集成溫度傳感器。
       熱電阻溫度傳感器中的鉑熱電阻以其精度高性能穩定互換性好耐腐蝕及使用方便等優(yōu)點(diǎn),成為工業(yè)測控系統中廣泛使用的一種比較理想的測溫元件。熱電阻測溫的常規方法是將熱電阻接到電橋的一個(gè)橋臂上，,通過(guò)測量不平衡電橋的輸出，再經(jīng)過(guò)放大和A/D轉換，送到計算機中進(jìn)行運算。在這種用法中,鉑電阻的非線(xiàn)性和不平衡電橋的非線(xiàn)性,會(huì )給最后的測量帶來(lái)誤差。而且,鉑電阻作為溫度傳感器使用時(shí),必須把它放在測溫現場(chǎng),從測溫點(diǎn)到測量變換電路之間的布線(xiàn)長(cháng)度少則幾米,多則幾十米甚至上百米,這樣長(cháng)的連接導線(xiàn),即使不計熱噪電阻,它自身的導線(xiàn)電阻R也是相當可觀(guān)的。如50~100m長(cháng)的連接導線(xiàn),連線(xiàn)電阻R一般為4~10Ω。而對常用的Pt100鉑電阻來(lái)說(shuō),溫度的變化率約為0.391Ω/℃,與該變化率相比,連線(xiàn)電阻對測量精度的影響也很大。當采用模擬開(kāi)關(guān)作多點(diǎn)間的切換測量時(shí),另一個(gè)不容忽視的問(wèn)題是模擬多路開(kāi)關(guān)導通電阻的影響及各導通電阻的不平衡問(wèn)題。
        本研究針對傳統的熱電阻構成的多路溫度測量中引起誤差的主要原因，采用兩個(gè)匹配性能很好的恒流源并通過(guò)模擬多路開(kāi)關(guān)的合理應用消除了上述因素對測量精度的影響,滿(mǎn)足了工程中提出的測量誤差小于0.5%,各路匹配誤差也小于0.5%的要求。
1熱電阻測溫的誤差來(lái)源
1.1熱電阻的非線(xiàn)性
      在溫度大于0℃的條件下,鉑電阻的電阻值R:與被測量溫度t之間的關(guān)系為(1]
Rt=Ro(1+At+Bt²)
       式中,Ro為被測溫度為0℃時(shí)熱電阻的阻值。對BA2分度號而言,A=3..9684×10^-3/℃,B=-5.847×10^-7/℃。由于二次項的存在,隨著(zhù)溫度的升高,鉑熱.電阻的非線(xiàn)性越來(lái)越嚴重。
1.2不平衡電橋的非線(xiàn)性
不平衡電橋測量電路[2]如圖1。
在不考慮連線(xiàn)電阻RL的情況下(RL=0),電橋輸出

       但當熱電阻的阻值變化幅度較大時(shí),R△t與(Ro+Rb)相比不能忽略,它將造成不平衡電橋的非線(xiàn)性。

1.3引線(xiàn)電阻的影響
       一般熱電阻的阻值在幾十至幾百歐范圍內變化。熱電阻的引線(xiàn)常處于被測溫度環(huán)境,溫度波動(dòng)較大,其阻值隨溫度的變化難以估計和修正。為了消除導線(xiàn)電阻的影響,引線(xiàn)常采用三線(xiàn)制,使測量誤差得到了一定的補償,但導線(xiàn)的影響依然存在。如圖1采用三線(xiàn)測量時(shí),若考慮到引線(xiàn)電阻RL,則電橋輸出.

       對Pt100,Rb=100Ω,假設RL=1Ω,則引起的最大誤差為1%,當引線(xiàn)電阻達4~10Ω時(shí),誤差可高達10%。而且RL的大小隨現場(chǎng)施工條件而變化,測量和補償都比較困難。
1.4多路溫度測量時(shí)模擬開(kāi)關(guān)導通電阻的影響
       為節省成本,簡(jiǎn)化線(xiàn)路,在多路溫度測量中,多個(gè)熱電阻共用一個(gè)前端處理線(xiàn)路及A/D,由模擬多路開(kāi)關(guān)分時(shí)切換完成多路測量。常見(jiàn)的模擬開(kāi)關(guān)的導通電阻在幾百歐左右,且各路導通電阻的不平衡一般在5Ω以上,使多路測量時(shí)精度難以保證。.
2實(shí)現精度高多路溫度測量的方法
       一種實(shí)現精度高16路溫度測量的原理線(xiàn)路如圖2。圖中,熱電阻連線(xiàn)采用三線(xiàn)制,Rt1.1,Rt2.1,Rt3.1,",Rt16.1分別為16個(gè)熱電阻的第1個(gè)接線(xiàn)端;Rt1.2,Rt2.2,Rt3.2,,Rto.2分別為16個(gè)熱電阻的第2個(gè)接線(xiàn)端;Rt1-3,Rt:.3,Rt3.3,..,Rt16-3分別為16個(gè)熱電阻的第3個(gè)接線(xiàn)端。K,K,K,K為16選一的模擬多路開(kāi)關(guān)。PGA為可編程前端放大器,OUT1,0UT2為匹配性能很好的兩個(gè)恒流源。CPU.的4個(gè)通用I/O口線(xiàn)同時(shí)接到4個(gè)模擬多路開(kāi)關(guān)的控制端(圖中未畫(huà)出)。測量某一路溫度時(shí),同時(shí)選中4個(gè)模擬開(kāi)關(guān)的相應通路。電流0UT1經(jīng)K到Rt..1(i=1,2,.,16)、經(jīng)過(guò)一段引線(xiàn)電阻及實(shí)際R;后到達Rtr.3,然后通過(guò)電阻2kS2到地。OUT2經(jīng)過(guò)K4到Rt.2,經(jīng)過(guò)一段引線(xiàn)電阻到達Rt.3,通過(guò)2kS2電阻到地。由于在上述電流回路中，引線(xiàn)電阻引起的電壓極性相反,在PGA的輸入端建立的電壓只和R,的值有關(guān);同時(shí)在PGA輸入端的漏電流足夠小的情況下，模擬多路開(kāi)關(guān)導通電阻的不一致性也不會(huì )給測量帶來(lái)影響。由于PGA的輸入電壓只和R,值有關(guān),因此t和電壓之間的二次函數關(guān)系很容易找到,且可通過(guò)函數計算或查表求取測量溫度。上述方法在某多路溫度測量?jì)x表中使用,取得了良好的效果。儀表組裝完成后,選擇若干個(gè)試驗點(diǎn)，,得到的理論值和測量值的比較結果見(jiàn)表1。最大相對誤差為0.24%。任意抽取兩路溫度進(jìn)行對比,用兩路溫度之間的差描述各通路之間的不一致性,比較結果見(jiàn)表2,最大相對誤差為1.0%,滿(mǎn)足了實(shí)際工程中提出的測量誤差及匹配誤差小于0.5%的要求。


3結束語(yǔ)
       用熱電阻作為溫度傳感器進(jìn)行溫度測量時(shí),常采用三線(xiàn)制接法的橋式測量電路，熱電阻和電橋的非線(xiàn)性及引線(xiàn)電阻都會(huì )給測量帶來(lái)誤差,多路測量中使用模擬多路開(kāi)關(guān)時(shí),開(kāi)關(guān)的導通電阻及導通電阻的不一致性也會(huì )產(chǎn)生測量誤差。為此,采用兩個(gè)匹配性能很好的恒流源并通過(guò)模擬多路開(kāi)關(guān)的合理應用消除了上述各種因素對測量精度的影響,滿(mǎn)足了工程應用要求。和監測耐壓時(shí)間,節省了數據處理時(shí)間,極大地提高了效率,得到了滿(mǎn)意的結果。