精度高三線制熱電阻檢測方法

摘要:介紹了一種恒壓分壓法測量三線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設計了簡潔的輸人檢測電路。檢測過程補償了導線電阻影響、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,能夠廣泛應用于各類精度高測溫儀表。
1.引言
　　溫度參數是目前工業生產中最常用的生產過程參數之一,對溫度的測量雖然有許多不同的方法,但熱電阻憑借其優良的特性成為目前工業上溫度測量中應用最廣泛的傳感元件之一。隨著精細化工、微電子、生物工程等技術的發展,對溫度的精度高檢測要求也越來越高,許多實驗室與工業生產環節中，經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,能夠廣泛應用于各類精度高測溫儀表。
2傳感器檢測電路設計及三線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測溫場合,尤其是鉑電阻具有高穩定性和良好的復現性,也被用來作為溫度基準儀器”。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,整個檢測電路工作電流約1.6mA。全部器件均選用工業級溫度產品,主要圍繞高測量精度目標進行設計，同時兼顧低功耗性能。
　　圖1是信號輸人部分電路原理圖,采用典型的三線制工業應用方式檢測熱電阻信號,并同時剔除導線影響。電路未采用常用的恒流驅動,而是具體采用了恒壓法,電阻分壓的方式采樣。電路極其簡潔,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制方式的輸人檢測。通過兩次采樣和軟件處理后,能夠完全剔除導線影響，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,線性度為0.0015%,具有自動校準功能,能夠適應大的信號動態范圍,因此能夠充分保證傳感器的全量程精度。同時它運行功耗小于600μA,掉電時功耗小于10μA,非常適合用來設計低功耗精度高的檢測電路。
 
　　如圖1所示,電阻Rr接成了三線制,R,為三根導線電阻,隨應用場合不同,RL阻值不定,一般每根導線電阻在5Ω之內。電阻與測量電路以A、B、C三點連接,實際上是與電阻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,同時具有掉電功能,這里使用它做緩沖的目的是進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AD7714Y的差動輸人范圍內,基準電壓的負端VR_不是直接接地的,而是通過一-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,通過檢測VAB和VAC,就能夠通過計算的方法得到Rr,從而求的實際溫度。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。參見圖1,可以獲得關于VAB和VAC的關系式(1)和(2),它們實際上是以RT和RL為未知數的二元一次方程,通過求解,可以獲得RT,即關系式(3)。在此，RL則可以看作過程中的無.關變量,對RT沒有任何影響,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)，通過迭代試差法即可精確求解出實際的溫度值具體結果精度可以通過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節對三線制檢測原理的描述中,式(1)~(2)都是在理想狀態下的方程。實際上，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溫度儀表為背景,以VAc的檢測為例進行分析,它主要包含了熱電阻與2條導線在恒壓環節中的分壓。同時，兩條導線與電阻存在兩個不同金屬材質的接點,引線一般為銀線,這兩個接點為鉑-銀接點;兩條導線又引出后連接在接線端子上,接線端子一般為銅質合金,又增加兩個銀-銅合金接點;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。這些成對的接點如果所處位置溫度略有不同，就會.帶來額外的熱電勢。AD7714Y在使用輸人緩沖器的前提下,標稱輸人漏電流為1nA,這個電流是不確定的,它也將在電阻上產生微小的額外壓降。因此,理論上的實際VAC和VAB可以用式(4)、(5)來表示:
 
　　式中:VACt為A/D轉換器實際在A.C兩端獲得的采樣值,EAC為A、C兩個端點環路中產生的熱電勢總和,(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理論值。由式(4)可見,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。參見圖1,具體的兩次測量由控制器使用OPA334來完成，0PA334是TI公司的一款單電源低功耗運算放大器,同時具有掉電功能。0PA334帶有-個ENABLE控制端，當它為高電平時,放大器正常工作，當它為低電平時,放大器掉電進人低功耗狀態,同時它的輸出變為高阻抗狀態。就是利用它的這個功能來實現兩次檢測的。實現令ENABLE=1,A/D采集到VACt再令ENABLE=0,此時放大器關閉,加在分壓環路中的VR=0,此時采集A、C兩端信號，即可以獲得EAC+(RT+2RL)·lB。0PA334通過D2后構成跟隨器的目的是當它關閉后,盡管輸出高阻狀態下有漏電流,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,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,求解測量溫度的過程中是把R和VR都作為已知參數來處理的,但實際上它們的標稱值是有初始誤差的,解決的辦法就是對它們進行校準。具體方法是使用2個不同電阻值的模擬電阻來進行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,會得到兩組共4個等式(6)~(9),其中僅有RL、R和VR三個未知數,使用其中3個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)最終求解出真實的熱電阻阻值RT,從而計算出實際測量的溫度值。
5具體電路設計與參數選擇要點
　　2~4節從理論上對三線制鉑電阻的精度高檢測進行了分析,把理論落實到真正的電路上仍要考慮很多具體細節問題。
　　首先是基準VR與R的選取問題,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/℃,同時它的基準供應對象都是高阻抗端,沒有負載電流波動因素,能夠保證足夠的穩定度。基準電阻R則選擇了穩定度優于5x10^-6/℃的電阻,正常使用功率是1/4W,在小功率使用時無自熱問題,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題，即必須限制它本身的驅動電流。常用的Pt100熱電阻驅動電流為1mA左右,0℃時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℃時工作驅動電流約0.4mA,自熱功率約為0.016mW,但由于采樣過程中只有一-半時間熱電阻處于驅動狀態,實際自熱功率只有約0.008mW,熱電阻因驅動電流產生的自熱僅帶來約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，同時對于模擬部分的放大器及A/D模擬電源均將主電源經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電源串行驅動的128x32點陣LCD模塊,用單片機P2口定義了4個按鍵,編制了簡單的軟件對電路進行了測試。使用電阻箱模擬熱電阻,連接成標準3線制方式，導線使用2m長的3根1.5mm²的多股銅絞合線模擬，導線與線路板直接焊接。測試前對電路的VR與R兩個基準參數進行了校準，然后進行正式檢測。
　　首先進行分辨率測試。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。改變最小步進檔進行分辨率檢測,每撥動一檔,顯示值波動0.001~0.002Ω,說明分辨率達到了0.001Ω。
　　第二步進行精度測試。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行了檢測,軟件中對采樣結果進行了簡單的滑動平均濾波處理。具體在0~400C范圍內對應的阻值區間檢測了4點,結果見表1。
 
　　由表1可以對誤差進行簡單分析。檢測最大絕對誤差0.006Ω,最小絕對誤差0.001Ω。在100Ω與200Ω兩個校準點上誤差最小，其他兩點誤差稍大。分析一下電阻箱使用的檔位情況，整個過程僅使用了100Ω與200Ω兩個x100檔和一個50Ω的x10檔,再分析150Ω與250Ω兩個檢測結果,能夠明顯發現最大誤差是50Ω檔位帶來的，因為這個檔位不是校準點，精度僅由電阻箱的基本精度來保證。以最大絕對誤差0.006Ω計算,對應ITS-90標準分度表,以0℃時3850x10^-6/℃的靈敏度計算,測試過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,同時電路簡潔成本低。可以用于精度高數字溫度計、便攜式溫度計、大量程比智能溫度變送器等設計中,同時對于便攜式精度高測量類儀器的設計具有一定的借鑒和參考價值。