多通道熱電阻測量若干問(wèn)題

摘要:在長(cháng)線(xiàn)傳輸的熱電阻測量過(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)了多通道熱電阻本身的誤差。提出一種基于四線(xiàn)制電阻信號傳輸的自校正電阻測量法，解決了長(cháng)線(xiàn)傳輸及電路工作環(huán)境變化帶來(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，從而能保證在較惡劣的外界環(huán)境下取得較高精度的測量結果。系統中設計的數字濾波功能，能有效地抑制高頻干擾和工頻干擾。該方法已在中微子探測器穩定性監控中得到了實(shí)際應用，效果較好。
       多點(diǎn)溫度測量系統能對多點(diǎn)的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)巡檢，各檢測單元能獨立完成各自功能，同時(shí)能夠根據主控機的指令對溫度進(jìn)行定時(shí)采集。在自行設計的中微子探測器穩定性監控中，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)度帶米的附加誤差遠遠超過(guò)了給定精度的要求。同時(shí)測量電路工作環(huán)境的溫度也在發(fā)生變化，測量時(shí)電路漂移的影響尤為突出。要達到上.述測量指標，必須解決引線(xiàn)長(cháng)度的離散性及電路漂移帶來(lái)的誤差。本文提出了一種基于四線(xiàn)制電阻信號傳輸的自校正電阻測量法，能有效地克服引線(xiàn)長(cháng)度及電路漂移帶來(lái)的影響，取得了較好的測量效果。系統中設計的數字濾波器，能有效地抑制高頻干擾和工頻干擾。
1測量誤差來(lái)源分析
       測量系統中存在著(zhù)熱電阻長(cháng)線(xiàn)傳輸的附加誤差、漂移、高頻干擾和工頻干擾等誤差來(lái)源。
1.1引線(xiàn)
      測量系統中熱電阻的傳輸線(xiàn)每米電阻為0.06Ω，雙線(xiàn)電阻為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1C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測量誤差來(lái)源漂移
       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0.049的壓降為0.02mV。
       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△I≈100△I(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)電阻叫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。
1.3高頻干擾和工頻干擾
       長(cháng)線(xiàn)傳輸不可避免地會(huì )引入高頻干擾和工頻千擾，測量系統的電源由市電電網(wǎng)供電，工頻干擾尤為嚴重。
2自校正電阻測量電路的設計與實(shí)現
2.1四線(xiàn)制接線(xiàn)的自校正電阻測量法原理
        圖l所示采用四線(xiàn)制接線(xiàn)的自校正電阻測量電路。R1、R2為標準電阻，R;~Rs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。熱電阻Rr~Rs電流源走兩條線(xiàn)，回饋的電壓信號走另兩條線(xiàn)，因為電壓回饋線(xiàn)中無(wú)電流(后級的輸入阻抗遠大于帶測電阻)，因此電壓回饋線(xiàn)引線(xiàn)沒(méi)有壓降，輸入的電壓信號只在熱電阻兩端產(chǎn)生電壓，消除了引線(xiàn)電阻造成的影響。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)對三個(gè)電阻的三個(gè)測量值的比較，可抵消漂移的影響。

2.2四線(xiàn)制接線(xiàn)的自校正電阻測法的實(shí)現
       圖1中，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(R1、R2,R3~Rs)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。假設對應于R1、R2通路輸出的A/D結果為Do1、Do2,R3~Rs6個(gè)待測熱電阻通路輸出的A/D結果分別為Do,~Dos,為書(shū)寫(xiě)方便，簡(jiǎn)記為Dw,則有:

       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;Dif、D2f、Dtf分別為經(jīng)調理電路至A/D轉換器中的零點(diǎn)漂移。
       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、R2,R3~Rs)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，Rs~Rn)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=Ki;Dtf=D2/=Dtf;由測得的A/D值D01、D02、Dot可解出:

       顯然，R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“")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。
2.3自校正電阻測量i法計算公式
       圖1中的R、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。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;AD轉換器選用16位帶數字濾波功能的AD7715(非線(xiàn)性誤差為0.0015%);微控制器(單片機)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(Do-Do)，再除以(Do2-Do)，公式中后半部按100000處理，這樣就保證了計算精度。
2.4A/D轉換器與單片機的接口
        AD7715與單片機P89LPC925的接口方式如圖2所示。

       P89LPC935具有硬件SPI控制器部件。AD7715支持SPI數據通信方式，因此可以直接和P89LPC93S的SPI控制器連接。AD7715每次數據轉換完成后，都會(huì )將DRDY信號拉低，告示數據轉換完成，等待被讀取。DRDY與P89LPC935的P1.2相連，可以通過(guò)查詢(xún)P1.2的狀態(tài)來(lái)判斷是否可以讀取數據。
2.5數字濾波功能的實(shí)現
        AD7715具有數字濾波功能，可以實(shí)現低通和陷波濾波功能。AD7715的低通和陷波頻率是和轉換速率相關(guān)聯(lián)的，如果設定其轉換速率為50Hz,低通濾波的高頻截止頻率為fn=15.72Hz(-3dB),同時(shí)對50Hz及其倍頻均有陷波功能，陷波深度為180dB以上，這樣就對工頻干擾信號具有很強的抑制作用。圖3為AD7715數字濾波頻率響應示意圖。

       AD7715還采用了其它濾波措施，如模擬電路中的低通濾波、中位值濾波法等。中位值濾波法的實(shí)現方法為:當采集的電阻值個(gè)數不夠4個(gè)時(shí)，最終結果為當前值;當采集值超過(guò)4個(gè)時(shí)，以最新的4個(gè)值為樣本，去掉一個(gè)最大值和最小值，中間兩個(gè)值求平均為最終結果。這種方法有效減少了偶然誤差，同時(shí)增加了測量值的正確率。.
3數據處理及測量誤差分析
3.1熱電阻測量誤差分析
       根據公式:

3.2兩種測量方法的測量誤差比較
       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，然后用直接測量法和自校正電阻測量法進(jìn)行測量比較。先將測量電路部分放在恒溫箱內，采用直接測量法，直接讀取每--路的A/D轉換值。恒溫箱溫度從25℃~50℃變化，讀出其A/D轉換值，結果表明，漂移很大，折合電阻值變化最大為0.52.再將測量電路部分放在恒溫箱內，恒溫箱溫度從25℃~50℃變化，采用自校正電阻測量法進(jìn)行計算，讀出的電阻值如表1所示，最大誤差小于0.022(表中的數據選取的是6路中誤差最大的一路)。

       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結束語(yǔ)
       在我們自行設計的測溫系統中，采用四線(xiàn)制連接，測量電路采用基于自校正思想的自校正6路電阻測量電路。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±0.2℃的設計要求。該測溫系統在中微子探測器穩定性監控中得到了實(shí)際應用。結果表明，系統工作穩定可靠，完全滿(mǎn)足設計要求。