多通道熱電阻測(cè)量若干問(wèn)題

摘要:在長(zhǎng)線傳輸?shù)臒犭娮铚y(cè)量過(guò)程中，長(zhǎng)線傳輸帶來(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(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了多通道熱電阻本身的誤差。提出一種基于四線制電阻信號(hào)傳輸?shù)淖孕Ｕ娮铚y(cè)量法，解決了長(zhǎng)線傳輸及電路工作環(huán)境變化帶來(lái)的附加誤差。自校正電阻測(cè)量法是通過(guò)比較三組測(cè)量信號(hào)的相對(duì)大小求得待測(cè)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(cè)量結(jié)果。系統(tǒng)中設(shè)計(jì)的數(shù)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(cè)器穩(wěn)定性監(jiān)控中得到了實(shí)際應(yīng)用，效果較好。
       多點(diǎn)溫度測(cè)量系統(tǒng)能對(duì)多點(diǎn)的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)巡檢，各檢測(cè)單元能獨(dú)立完成各自功能，同時(shí)能夠根據(jù)主控機(jī)的指令對(duì)溫度進(jìn)行定時(shí)采集。在自行設(shè)計(jì)的中微子探測(cè)器穩(wěn)定性監(jiān)控中，要求溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)6個(gè)，測(cè)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(wěn)定性好、回差和重復(fù)性誤差都很小的Pt100鉑電阻傳感器為測(cè)溫元件"，若達(dá)到0.1℃的溫度分辨力、0.2℃的精度，電阻測(cè)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(zhǎng)達(dá)60m的引線，引線電阻及引線長(zhǎng)度帶米的附加誤差遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了給定精度的要求。同時(shí)測(cè)量電路工作環(huán)境的溫度也在發(fā)生變化，測(cè)量時(shí)電路漂移的影響尤為突出。要達(dá)到上.述測(cè)量指標(biāo)，必須解決引線長(zhǎng)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制電阻信號(hào)傳輸?shù)淖孕Ｕ娮铚y(cè)量法，能有效地克服引線長(zhǎng)度及電路漂移帶來(lái)的影響，取得了較好的測(cè)量效果。系統(tǒng)中設(shè)計(jì)的數(shù)字濾波器，能有效地抑制高頻干擾和工頻干擾。
1測(cè)量誤差來(lái)源分析
       測(cè)量系統(tǒng)中存在著熱電阻長(zhǎng)線傳輸?shù)母郊诱`差、漂移、高頻干擾和工頻干擾等誤差來(lái)源。
1.1引線
      測(cè)量系統(tǒng)中熱電阻的傳輸線每米電阻為0.06Ω，雙線電阻為0.122Ω。該系統(tǒng)中測(cè)量元件(熱電阻)與測(cè)量電路連線較長(zhǎng)，該系統(tǒng)需要配置最長(zhǎng)達(dá)60m的引線，系統(tǒng)中鉑電阻每變化1C時(shí)的電阻變化約為0.398Ω左右:引線每變化1m,會(huì)帶來(lái)0.3℃的測(cè)量誤差，所以必須消除引線電阻帶來(lái)的誤差。
1.2測(cè)量誤差來(lái)源漂移
       系統(tǒng)要求測(cè)量裝置具有很高的環(huán)境適應(yīng)性，其測(cè)量電路的漂移就顯得尤為突出。系統(tǒng)要求，溫度分辨力為0.1℃，對(duì)應(yīng)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(hào)小，影響輸出的信噪比)，該電流在0.049的壓降為0.02mV。
       假設(shè)環(huán)境等因素引起的恒流源的變化為△I,對(duì)應(yīng)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(tǒng)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足△I<0.4μA。顯然這個(gè)要求是相當(dāng)苛刻的。
事實(shí)上，測(cè)量誤差還必須考慮其它環(huán)節(jié)的影響。如測(cè)溫元件的長(zhǎng)引線電阻叫變化對(duì)恒流源的影響;放大及信號(hào)調(diào)理電路中，運(yùn)算放大器的失調(diào)電壓、放大倍數(shù)以及零點(diǎn)電壓的漂移;后級(jí)的AD轉(zhuǎn)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(zhǎng)線傳輸不可避免地會(huì)引入高頻干擾和工頻千擾，測(cè)量系統(tǒng)的電源由市電電網(wǎng)供電，工頻干擾尤為嚴(yán)重。
2自校正電阻測(cè)量電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
2.1四線制接線的自校正電阻測(cè)量法原理
        圖l所示采用四線制接線的自校正電阻測(cè)量電路。R1、R2為標(biāo)準(zhǔn)電阻，R;~Rs為6個(gè)待測(cè)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，回饋的電壓信號(hào)走另兩條線，因?yàn)殡妷夯仞伨€中無(wú)電流(后級(jí)的輸入阻抗遠(yuǎn)大于帶測(cè)電阻)，因此電壓回饋線引線沒(méi)有壓降，輸入的電壓信號(hào)只在熱電阻兩端產(chǎn)生電壓，消除了引線電阻造成的影響。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(duì)三個(gè)電阻的三個(gè)測(cè)量值的比較，可抵消漂移的影響。

2.2四線制接線的自校正電阻測(cè)法的實(shí)現(xiàn)
       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(hào)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(diào)理電路，信號(hào)處理后輸送至A/D轉(zhuǎn)換器及微控制器。假設(shè)對(duì)應(yīng)于R1、R2通路輸出的A/D結(jié)果為Do1、Do2,R3~Rs6個(gè)待測(cè)熱電阻通路輸出的A/D結(jié)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?hào)、經(jīng)調(diào)理電路至A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果中的比例系數(shù);Dif、D2f、Dtf分別為經(jīng)調(diào)理電路至A/D轉(zhuǎn)換器中的零點(diǎn)漂移。
       信號(hào)傳遞通道中的模擬開(kāi)關(guān)，因?yàn)槠浜罄m(xù)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(hào)，經(jīng)過(guò)每個(gè)電阻(R1、R2,R3~Rs)的電流相等，且其導(dǎo)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(xù)電路是同一個(gè)電路，而后續(xù)電路的參數(shù)及電流源的大小在短時(shí)間(秒級(jí))內(nèi)是不變的，即:K1=K2=Ki;Dtf=D2/=Dtf;由測(cè)得的A/D值D01、D02、Dot可解出:

       顯然，R只取決于測(cè)量結(jié)果的相對(duì)值，漂移對(duì)測(cè)量的影響被抵消了?？梢?jiàn)，此方法對(duì)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(bǔ)償功能的測(cè)量方案“")相比，它不需要測(cè)量?jī)x器的環(huán)境溫度，也無(wú)須進(jìn)行復(fù)雜的軟件計(jì)算，且電路簡(jiǎn)單、調(diào)試方便，因而更具實(shí)用性。
2.3自校正電阻測(cè)量i法計(jì)算公式
       圖1中的R、R2采用精度為±0.01%、溫度系數(shù)為±2ppm的標(biāo)準(zhǔn)電阻，即使工作環(huán)境溫度有±30℃的變化，相應(yīng)阻值變化也僅有0.006%，可忽略不計(jì)。其他模擬電路中均選取常規(guī)元器件:8X2模擬開(kāi)關(guān)選用ADG507;AD轉(zhuǎn)換器選用16位帶數(shù)字濾波功能的AD7715(非線性誤差為0.0015%);微控制器(單片機(jī))選用P89LPC935。按照公式:

        在程序計(jì)算中，熱電阻計(jì)算至0.001Ω，公式中前半部分具體計(jì)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(jì)算精度。
2.4A/D轉(zhuǎn)換器與單片機(jī)的接口
        AD7715與單片機(jī)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(shù)據(jù)通信方式，因此可以直接和P89LPC93S的SPI控制器連接。AD7715每次數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完成后，都會(huì)將DRDY信號(hào)拉低，告示數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完成，等待被讀取。DRDY與P89LPC935的P1.2相連，可以通過(guò)查詢P1.2的狀態(tài)來(lái)判斷是否可以讀取數(shù)據(jù)。
2.5數(shù)字濾波功能的實(shí)現(xiàn)
        AD7715具有數(shù)字濾波功能，可以實(shí)現(xiàn)低通和陷波濾波功能。AD7715的低通和陷波頻率是和轉(zhuǎn)換速率相關(guān)聯(lián)的，如果設(shè)定其轉(zhuǎn)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(duì)50Hz及其倍頻均有陷波功能，陷波深度為180dB以上，這樣就對(duì)工頻干擾信號(hào)具有很強(qiáng)的抑制作用。圖3為AD7715數(shù)字濾波頻率響應(yīng)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(xiàn)方法為:當(dāng)采集的電阻值個(gè)數(shù)不夠4個(gè)時(shí)，最終結(jié)果為當(dāng)前值;當(dāng)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(jié)果。這種方法有效減少了偶然誤差，同時(shí)增加了測(cè)量值的正確率。.
3數(shù)據(jù)處理及測(cè)量誤差分析
3.1熱電阻測(cè)量誤差分析
       根據(jù)公式:

3.2兩種測(cè)量方法的測(cè)量誤差比較
       先在室溫(25℃)下用標(biāo)準(zhǔn)電阻替代待測(cè)電阻(Pt100)對(duì)電路進(jìn)行校準(zhǔn)，然后用直接測(cè)量法和自校正電阻測(cè)量法進(jìn)行測(cè)量比較。先將測(cè)量電路部分放在恒溫箱內(nèi)，采用直接測(cè)量法，直接讀取每--路的A/D轉(zhuǎn)換值。恒溫箱溫度從25℃~50℃變化，讀出其A/D轉(zhuǎn)換值，結(jié)果表明，漂移很大，折合電阻值變化最大為0.52.再將測(cè)量電路部分放在恒溫箱內(nèi)，恒溫箱溫度從25℃~50℃變化，采用自校正電阻測(cè)量法進(jìn)行計(jì)算，讀出的電阻值如表1所示，最大誤差小于0.022(表中的數(shù)據(jù)選取的是6路中誤差最大的一路)。

       實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，直接測(cè)量法受環(huán)境影響很大，其測(cè)算出的數(shù)據(jù)誤差很大，不能滿足精度要求;而同樣的核心電路，經(jīng)過(guò)三電阻法的自校正處理，測(cè)量結(jié)果受環(huán)境影響的程度得到很大修正，可滿足系統(tǒng)測(cè)溫的要求。
4結(jié)束語(yǔ)
       在我們自行設(shè)計(jì)的測(cè)溫系統(tǒng)中，采用四線制連接，測(cè)量電路采用基于自校正思想的自校正6路電阻測(cè)量電路。在對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的處理上，采用分段線性化的方法解決Pt100的非線性問(wèn)題'"，同時(shí)配合數(shù)值濾波等軟件處理。整個(gè)系統(tǒng)滿足分辨力為±0.1℃、精度為±0.2℃的設(shè)計(jì)要求。該測(cè)溫系統(tǒng)在中微子探測(cè)器穩(wěn)定性監(jiān)控中得到了實(shí)際應(yīng)用。結(jié)果表明，系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，完全滿足設(shè)計(jì)要求。