多路溫度測(cè)量熱電阻非線性及引線電阻補(bǔ)償

摘要:熱電阻溫度測(cè)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(huì)給測(cè)量帶來(lái)誤差,多路測(cè)量中模擬多路開(kāi)關(guān)的應(yīng)用也會(huì)給測(cè)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(yīng)用克服了上述誤差,在某測(cè)量?jī)x表中實(shí)現(xiàn)了精度高的16路溫度測(cè)量。
       溫度的精度高測(cè)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: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(wěn)定互換性好耐腐蝕及使用方便等優(yōu)點(diǎn),成為工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)中廣泛使用的一種比較理想的測(cè)溫元件。熱電阻測(cè)溫的常規(guī)方法是將熱電阻接到電橋的一個(gè)橋臂上，,通過(guò)測(cè)量不平衡電橋的輸出，再經(jīng)過(guò)放大和A/D轉(zhuǎn)換，送到計(jì)算機(jī)中進(jìn)行運(yùn)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(huì)給最后的測(cè)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(cè)溫現(xiàn)場(chǎng),從測(cè)溫點(diǎn)到測(cè)量變換電路之間的布線長(zhǎng)度少則幾米,多則幾十米甚至上百米,這樣長(zhǎng)的連接導(dǎo)線,即使不計(jì)熱噪電阻,它自身的導(dǎo)線電阻R也是相當(dāng)可觀的。如50~100m長(zhǎng)的連接導(dǎo)線,連線電阻R一般為4~10Ω。而對(duì)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,連線電阻對(duì)測(cè)量精度的影響也很大。當(dāng)采用模擬開(kāi)關(guān)作多點(diǎn)間的切換測(cè)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(dǎo)通電阻的影響及各導(dǎo)通電阻的不平衡問(wèn)題。
        本研究針對(duì)傳統(tǒng)的熱電阻構(gòu)成的多路溫度測(cè)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(yīng)用消除了上述因素對(duì)測(cè)量精度的影響,滿足了工程中提出的測(cè)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(cè)溫的誤差來(lái)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(cè)量溫度t之間的關(guān)系為(1]
Rt=Ro(1+At+Bt²)
       式中,Ro為被測(cè)溫度為0℃時(shí)熱電阻的阻值。對(duì)BA2分度號(hào)而言,A=3..9684×10^-3/℃,B=-5.847×10^-7/℃。由于二次項(xiàng)的存在,隨著溫度的升高,鉑熱.電阻的非線性越來(lái)越嚴(yán)重。
1.2不平衡電橋的非線性
不平衡電橋測(cè)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(dāng)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(nèi)變化。熱電阻的引線常處于被測(cè)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(jì)和修正。為了消除導(dǎo)線電阻的影響,引線常采用三線制,使測(cè)量誤差得到了一定的補(bǔ)償,但導(dǎo)線的影響依然存在。如圖1采用三線測(cè)量時(shí),若考慮到引線電阻RL,則電橋輸出.

       對(duì)Pt100,Rb=100Ω,假設(shè)RL=1Ω,則引起的最大誤差為1%,當(dāng)引線電阻達(dá)4~10Ω時(shí),誤差可高達(dá)10%。而且RL的大小隨現(xiàn)場(chǎng)施工條件而變化,測(cè)量和補(bǔ)償都比較困難。
1.4多路溫度測(cè)量時(shí)模擬開(kāi)關(guān)導(dǎo)通電阻的影響
       為節(jié)省成本,簡(jiǎn)化線路,在多路溫度測(cè)量中,多個(gè)熱電阻共用一個(gè)前端處理線路及A/D,由模擬多路開(kāi)關(guān)分時(shí)切換完成多路測(cè)量。常見(jiàn)的模擬開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通電阻在幾百歐左右,且各路導(dǎo)通電阻的不平衡一般在5Ω以上,使多路測(cè)量時(shí)精度難以保證。.
2實(shí)現(xiàn)精度高多路溫度測(cè)量的方法
       一種實(shí)現(xiàn)精度高16路溫度測(cè)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(gè)熱電阻的第1個(gè)接線端;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口線同時(shí)接到4個(gè)模擬多路開(kāi)關(guān)的控制端(圖中未畫出)。測(cè)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(yīng)通路。電流0UT1經(jīng)K到Rt..1(i=1,2,.,16)、經(jīng)過(guò)一段引線電阻及實(shí)際R;后到達(dá)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)一段引線電阻到達(dá)Rt.3,通過(guò)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(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(dǎo)通電阻的不一致性也不會(huì)給測(cè)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(shù)關(guān)系很容易找到,且可通過(guò)函數(shù)計(jì)算或查表求取測(cè)量溫度。上述方法在某多路溫度測(cè)量?jī)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(yàn)點(diǎn)，,得到的理論值和測(cè)量值的比較結(jié)果見(jiàn)表1。最大相對(duì)誤差為0.24%。任意抽取兩路溫度進(jìn)行對(duì)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(jié)果見(jiàn)表2,最大相對(duì)誤差為1.0%,滿足了實(shí)際工程中提出的測(cè)量誤差及匹配誤差小于0.5%的要求。


3結(jié)束語(yǔ)
       用熱電阻作為溫度傳感器進(jìn)行溫度測(cè)量時(shí),常采用三線制接法的橋式測(cè)量電路，熱電阻和電橋的非線性及引線電阻都會(huì)給測(cè)量帶來(lái)誤差,多路測(cè)量中使用模擬多路開(kāi)關(guān)時(shí),開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通電阻及導(dǎo)通電阻的不一致性也會(huì)產(chǎn)生測(cè)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(yīng)用消除了上述各種因素對(duì)測(cè)量精度的影響,滿足了工程應(yīng)用要求。和監(jiān)測(cè)耐壓時(shí)間,節(jié)省了數(shù)據(jù)處理時(shí)間,極大地提高了效率,得到了滿意的結(jié)果。