多路溫度測量熱電阻非線性及引線電阻補償

摘要:熱電阻溫度測量中,熱電阻的非線性不平衡電橋的非線性及連線電阻都會給測量帶來誤差,多路測量中模擬多路開關的應用也會給測量造成不良影響,本文通過恒流源及模擬多路開關的合理應用克服了上述誤差,在某測量儀表中實現了精度高的16路溫度測量。
       溫度的精度高測量是工業生產領域的一個重要問題。目前使用比較廣泛的溫度傳感器有4類: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點,成為工業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橋臂上，,通過測量不平衡電橋的輸出，再經過放大和A/D轉換，送到計算機中進行運算。在這種用法中,鉑電阻的非線性和不平衡電橋的非線性,會給最后的測量帶來誤差。而且,鉑電阻作為溫度傳感器使用時,必須把它放在測溫現場,從測溫點到測量變換電路之間的布線長度少則幾米,多則幾十米甚至上百米,這樣長的連接導線,即使不計熱噪電阻,它自身的導線電阻R也是相當可觀的。如50~100m長的連接導線,連線電阻R一般為4~10Ω。而對常用的Pt100鉑電阻來說,溫度的變化率約為0.391Ω/℃,與該變化率相比,連線電阻對測量精度的影響也很大。當采用模擬開關作多點間的切換測量時,另一個不容忽視的問題是模擬多路開關導通電阻的影響及各導通電阻的不平衡問題。
        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，采用兩個匹配性能很好的恒流源并通過模擬多路開關的合理應用消除了上述因素對測量精度的影響,滿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源
1.1熱電阻的非線性
      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之間的關系為(1]
Rt=Ro(1+At+Bt²)
       式中,Ro為被測溫度為0℃時熱電阻的阻值。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,隨著溫度的升高,鉑熱.電阻的非線性越來越嚴重。
1.2不平衡電橋的非線性
不平衡電橋測量電路[2]如圖1。
在不考慮連線電阻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,R△t與(Ro+Rb)相比不能忽略,它將造成不平衡電橋的非線性。

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

       對Pt100,Rb=100Ω,假設RL=1Ω,則引起的最大誤差為1%,當引線電阻達4~10Ω時,誤差可高達10%。而且RL的大小隨現場施工條件而變化,測量和補償都比較困難。
1.4多路溫度測量時模擬開關導通電阻的影響
       為節省成本,簡化線路,在多路溫度測量中,多個熱電阻共用一個前端處理線路及A/D,由模擬多路開關分時切換完成多路測量。常見的模擬開關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,使多路測量時精度難以保證。.
2實現精度高多路溫度測量的方法
       一種實現精度高16路溫度測量的原理線路如圖2。圖中,熱電阻連線采用三線制,Rt1.1,Rt2.1,Rt3.1,",Rt16.1分別為16個熱電阻的第1個接線端;Rt1.2,Rt2.2,Rt3.2,,Rto.2分別為16個熱電阻的第2個接線端;Rt1-3,Rt:.3,Rt3.3,..,Rt16-3分別為16個熱電阻的第3個接線端。K,K,K,K為16選一的模擬多路開關。PGA為可編程前端放大器,OUT1,0UT2為匹配性能很好的兩個恒流源。CPU.的4個通用I/O口線同時接到4個模擬多路開關的控制端(圖中未畫出)。測量某一路溫度時,同時選中4個模擬開關的相應通路。電流0UT1經K到Rt..1(i=1,2,.,16)、經過一段引線電阻及實際R;后到達Rtr.3,然后通過電阻2kS2到地。OUT2經過K4到Rt.2,經過一段引線電阻到達Rt.3,通過2kS2電阻到地。由于在上述電流回路中，引線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;同時在PGA輸入端的漏電流足夠小的情況下，模擬多路開關導通電阻的不一致性也不會給測量帶來影響。由于PGA的輸入電壓只和R,值有關,因此t和電壓之間的二次函數關系很容易找到,且可通過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儀表中使用,取得了良好的效果。儀表組裝完成后,選擇若干個試驗點，,得到的理論值和測量值的比較結果見表1。最大相對誤差為0.24%。任意抽取兩路溫度進行對比,用兩路溫度之間的差描述各通路之間的不一致性,比較結果見表2,最大相對誤差為1.0%,滿足了實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
       用熱電阻作為溫度傳感器進行溫度測量時,常采用三線制接法的橋式測量電路，熱電阻和電橋的非線性及引線電阻都會給測量帶來誤差,多路測量中使用模擬多路開關時,開關的導通電阻及導通電阻的不一致性也會產生測量誤差。為此,采用兩個匹配性能很好的恒流源并通過模擬多路開關的合理應用消除了上述各種因素對測量精度的影響,滿足了工程應用要求。和監測耐壓時間,節省了數據處理時間,極大地提高了效率,得到了滿意的結果。