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(zhuǎn)換器AD7714Y設(shè)計了簡潔的輸人檢測電路。檢測過程補償了導(dǎo)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(zhǔn)參數(shù)的數(shù)字校準(zhǔn)方法。對于Pt100熱電阻,檢測分辨率達到0.001Ω,在0~400℃范圍內(nèi),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(yīng)用于各類精度高測溫儀表。
1.引言
　　溫度參數(shù)是目前工業(yè)生產(chǎn)中最常用的生產(chǎn)過程參數(shù)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(yōu)良的特性成為目前工業(yè)上溫度測量中應(yīng)用最廣泛的傳感元件之一。隨著精細(xì)化工、微電子、生物工程等技術(shù)的發(fā)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(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，經(jīng)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(shè)備中,如檢驗用恒溫槽要求設(shè)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(nèi)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(nèi)，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(yīng)用于各類精度高測溫儀表。
2傳感器檢測電路設(shè)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(yīng)用于工業(yè)測溫場合,尤其是鉑電阻具有高穩(wěn)定性和良好的復(fù)現(xiàn)性,也被用來作為溫度基準(zhǔn)儀器”。所涉及的設(shè)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(yè)級溫度產(chǎn)品,主要圍繞高測量精度目標(biāo)進行設(shè)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(yè)應(yīng)用方式檢測熱電阻信號,并同時剔除導(dǎo)線影響。電路未采用常用的恒流驅(qū)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(zhuǎn)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(dǎo)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(zhuǎn)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(zhǔn)功能,能夠適應(yīng)大的信號動態(tài)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(shè)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(dǎo)線電阻,隨應(yīng)用場合不同,RL阻值不定,一般每根導(dǎo)線電阻在5Ω之內(nèi)。電阻與測量電路以A、B、C三點連接,實際上是與電阻R構(gòu)成了對電壓VR的分壓電路。這里R=3kΩ，基準(zhǔn)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(diào)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(jié)介紹。由于采用單電源,為保證信號在AD7714Y的差動輸人范圍內(nèi),基準(zhǔn)電壓的負(fù)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(dǎo)線電阻補償需要采用2次采樣后運算處理。當(dāng)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(shè)置為雙極性輸人和3個準(zhǔn)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(shù)由具體熱電阻型號及測溫范圍決定。參見圖1,可以獲得關(guān)于VAB和VAC的關(guān)系式(1)和(2),它們實際上是以RT和RL為未知數(shù)的二元一次方程,通過求解,可以獲得RT,即關(guān)系式(3)。在此，RL則可以看作過程中的無.關(guān)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(biāo)ITS-90中給出的RT(t)多項式函數(shù)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(jié)果精度可以通過設(shè)置結(jié)果偏差人為控制，理論上,迭代獲得的對應(yīng)溫度值能夠做到與函數(shù)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(jié)對三線制檢測原理的描述中,式(1)~(2)都是在理想狀態(tài)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(xiàn)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(dǎo)線在恒壓環(huán)節(jié)中的分壓。同時，兩條導(dǎo)線與電阻存在兩個不同金屬材質(zhì)的接點,引線一般為銀線,這兩個接點為鉑-銀接點;兩條導(dǎo)線又引出后連接在接線端子上,接線端子一般為銅質(zhì)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(biāo)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(chǎn)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(zhuǎn)換器實際在A.C兩端獲得的采樣值,EAC為A、C兩個端點環(huán)路中產(chǎn)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(dāng)它為高電平時,放大器正常工作，當(dāng)它為低電平時,放大器掉電進人低功耗狀態(tài),同時它的輸出變?yōu)楦咦杩範(fàn)顟B(tài)。就是利用它的這個功能來實現(xiàn)兩次檢測的。實現(xiàn)令ENABLE=1,A/D采集到VACt再令ENABLE=0,此時放大器關(guān)閉,加在分壓環(huán)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(gòu)成跟隨器的目的是當(dāng)它關(guān)閉后,盡管輸出高阻狀態(tài)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(tài),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(zhǔn)參數(shù)R與VR的誤差修正數(shù)字校準(zhǔn)方法
　　對于第2節(jié)中的溫度檢測方案設(shè)計,求解測量溫度的過程中是把R和VR都作為已知參數(shù)來處理的,但實際上它們的標(biāo)稱值是有初始誤差的,解決的辦法就是對它們進行校準(zhǔn)。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(shù),使用其中3個等式求解即可獲得校準(zhǔn)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(zhǔn)值存人控制系統(tǒng)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(shù)使用,至此，完成了測量通道的數(shù)字校準(zhǔn)工作。通過第1節(jié)和第2節(jié)的誤差修正與基準(zhǔn)校準(zhǔn)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(shè)計與參數(shù)選擇要點
　　2~4節(jié)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(xì)節(jié)問題。
　　首先是基準(zhǔn)VR與R的選取問題,它們必須保證足夠的穩(wěn)定性。選擇了1.25V輸出的MAX6161作為VR的基準(zhǔn)源,它的典型溫度系數(shù)為5x10^-6/℃,同時它的基準(zhǔn)供應(yīng)對象都是高阻抗端,沒有負(fù)載電流波動因素,能夠保證足夠的穩(wěn)定度?；鶞?zhǔn)電阻R則選擇了穩(wěn)定度優(yōu)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(wěn)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(qū)動電流。常用的Pt100熱電阻驅(qū)動電流為1mA左右,0℃時空氣中的自熱系數(shù)為5mW/℃左右。檢測電路以Pt100熱電阻檢測對象,R取3kΩ,AD7714Y內(nèi)置PGA設(shè)定為8倍。0℃時工作驅(qū)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(qū)動狀態(tài),實際自熱功率只有約0.008mW,熱電阻因驅(qū)動電流產(chǎn)生的自熱僅帶來約0.002℃的誤差,可以忽略不計。
　　具體設(shè)計中對系統(tǒng)電源作了精心處理,主電源采用SP1117-3從5V系統(tǒng)中獲得了高穩(wěn)定的系統(tǒng)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(jīng)LC濾波后提供。電路板的設(shè)計首先遵循AD7714Y手冊的基本要求敷設(shè)必要的模擬地平面擴散區(qū),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(qū)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(biāo)準(zhǔn)3線制方式，導(dǎo)線使用2m長的3根1.5mm²的多股銅絞合線模擬，導(dǎo)線與線路板直接焊接。測試前對電路的VR與R兩個基準(zhǔn)參數(shù)進行了校準(zhǔn)，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(zhǔn)電阻設(shè)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(biāo)準(zhǔn)不同而造成結(jié)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(jié)果進行了簡單的滑動平均濾波處理。具體在0~400C范圍內(nèi)對應(yīng)的阻值區(qū)間檢測了4點,結(jié)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(zhǔn)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(jié)果,能夠明顯發(fā)現(xiàn)最大誤差是50Ω檔位帶來的，因為這個檔位不是校準(zhǔn)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(yīng)ITS-90標(biāo)準(zhǔn)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(jié)果精度相當(dāng)高。
7結(jié)論
　　具有較高的精度和較低的功耗,同時電路簡潔成本低?？梢杂糜诰雀邤?shù)字溫度計、便攜式溫度計、大量程比智能溫度變送器等設(shè)計中,同時對于便攜式精度高測量類儀器的設(shè)計具有一定的借鑒和參考價值。