精度高三線制熱電阻檢測(cè)方法

摘要:介紹了一種恒壓分壓法測(cè)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(jì)了簡(jiǎn)潔的輸人檢測(cè)電路。檢測(cè)過程補(bǔ)償了導(dǎo)線電阻影響、接觸熱電勢(shì)影響及放大器輸人漏電流等誤差因素。介紹了測(cè)量電路自身基準(zhǔn)參數(shù)的數(shù)字校準(zhǔn)方法。對(duì)于Pt100熱電阻,檢測(cè)分辨率達(dá)到0.001Ω,在0~400℃范圍內(nèi),熱電阻測(cè)量的絕對(duì)誤差小于0.01Ω。該測(cè)量方法具有精度高、量程寬、成本低及低功耗等特點(diǎn),能夠廣泛應(yīng)用于各類精度高測(cè)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(duì)溫度的測(cè)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(cè)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(duì)溫度的精度高檢測(cè)要求也越來越高,許多實(shí)驗(yàn)室與工業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，經(jīng)常要求溫度的測(cè)量精度為0.1%以上,有些要求絕對(duì)誤差小于0.1℃。在各種檢驗(yàn)設(shè)備中,如檢驗(yàn)用恒溫槽要求設(shè)備能夠提供分辨率達(dá)到0.01℃等級(jí)的精度高溫度指示,這就要求要作到對(duì)溫度的精度高測(cè)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(duì)溫度有精度高地測(cè)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(cè)溫方法對(duì)于Pt100熱電阻,檢測(cè)分辨率達(dá)到0.001Ω,在0~400℃范圍內(nèi)，熱電阻測(cè)量的絕對(duì)誤差小于0.01Ω。具有精度高、量程寬、成本低及低功耗等特點(diǎn),能夠廣泛應(yīng)用于各類精度高測(cè)溫儀表。
2傳感器檢測(cè)電路設(shè)計(jì)及三線制熱電阻溫度檢測(cè)基本原理
　　熱電阻溫度傳感器被廣泛應(yīng)用于工業(yè)測(cè)溫場(chǎng)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(jì)都是以Pt100傳感器為例的,檢測(cè)電路采用3V電源供電,整個(gè)檢測(cè)電路工作電流約1.6mA。全部器件均選用工業(yè)級(jí)溫度產(chǎn)品,主要圍繞高測(cè)量精度目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)兼顧低功耗性能。
　　圖1是信號(hào)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(cè)熱電阻信號(hào),并同時(shí)剔除導(dǎo)線影響。電路未采用常用的恒流驅(qū)動(dòng),而是具體采用了恒壓法,電阻分壓的方式采樣。電路極其簡(jiǎn)潔,僅使用一片運(yùn)算放大器0PA334與一片A/D轉(zhuǎn)換器AD7714Y就完成了熱電阻信號(hào)三線制方式的輸人檢測(cè)。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(dòng)校準(zhǔn)功能,能夠適應(yīng)大的信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍,因此能夠充分保證傳感器的全量程精度。同時(shí)它運(yùn)行功耗小于600μA,掉電時(shí)功耗小于10μA,非常適合用來設(shè)計(jì)低功耗精度高的檢測(cè)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(chǎng)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(cè)量電路以A、B、C三點(diǎn)連接,實(shí)際上是與電阻R構(gòu)成了對(duì)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(shí)具有掉電功能,這里使用它做緩沖的目的是進(jìn)行接觸熱電勢(shì)影響及放大器輸人漏電流等誤差補(bǔ)償,具體在第3節(jié)介紹。由于采用單電源,為保證信號(hào)在AD7714Y的差動(dòng)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(duì)地偏置電壓。
　　具體的導(dǎo)線電阻補(bǔ)償需要采用2次采樣后運(yùn)算處理。當(dāng)在VR和R是已知的前提下,通過檢測(cè)VAB和VAC,就能夠通過計(jì)算的方法得到Rr,從而求的實(shí)際溫度。VAB和VAC的檢測(cè)由AD7714Y完成,它設(shè)置為雙極性輸人和3個(gè)準(zhǔn)差分輸人方式。通道1檢測(cè)VAC,通道2檢測(cè)VAB,前置PGA的放大倍數(shù)由具體熱電阻型號(hào)及測(cè)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(shí)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(duì)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(xiàng)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(shí)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(duì)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(shì)影響及放大器輸入漏電流等.誤差因素補(bǔ)償方法
　　在第2節(jié)對(duì)三線制檢測(cè)原理的描述中,式(1)~(2)都是在理想狀態(tài)下的方程。實(shí)際上，測(cè)量信號(hào)中還包含有接觸熱電勢(shì)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(chǎng)溫度儀表為背景,以VAc的檢測(cè)為例進(jìn)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(shí)，兩條導(dǎo)線與電阻存在兩個(gè)不同金屬材質(zhì)的接點(diǎn),引線一般為銀線,這兩個(gè)接點(diǎn)為鉑-銀接點(diǎn);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(gè)銀-銅合金接點(diǎn);端子將信號(hào)引人放大器至少又要增加一-對(duì)銅合金一銅接點(diǎn)。這些成對(duì)的接點(diǎn)如果所處位置溫度略有不同，就會(huì).帶來額外的熱電勢(shì)。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(gè)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(shí)際VAC和VAB可以用式(4)、(5)來表示:
 
　　式中:VACt為A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)際在A.C兩端獲得的采樣值,EAC為A、C兩個(gè)端點(diǎn)環(huán)路中產(chǎn)生的熱電勢(shì)總和,(RT+2RL)·1B為A/D輸人漏電流引人的附加電勢(shì),VAc為消除了所有附加誤差后的真實(shí)理論值。由式(4)可見,只要分兩次分別測(cè)量出VACt與EAC+(RT+2Rl)·lB就可以獲得計(jì)算所需的VAc理論值了。參見圖1,具體的兩次測(cè)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(yùn)算放大器,同時(shí)具有掉電功能。0PA334帶有-個(gè)ENABLE控制端，當(dāng)它為高電平時(shí),放大器正常工作，當(dāng)它為低電平時(shí),放大器掉電進(jìn)人低功耗狀態(tài),同時(shí)它的輸出變?yōu)楦咦杩範(fàn)顟B(tài)。就是利用它的這個(gè)功能來實(shí)現(xiàn)兩次檢測(cè)的。實(shí)現(xiàn)令ENABLE=1,A/D采集到VACt再令ENABLE=0,此時(shí)放大器關(guān)閉,加在分壓環(huán)路中的VR=0,此時(shí)采集A、C兩端信號(hào)，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(jí),可以忽略不計(jì)。同樣,對(duì)于VAB的理論值也可以同樣處理后獲得,通過4次測(cè)量，就可以獲得VAB與VAc的理論值,完成了對(duì)接觸熱電勢(shì)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(duì)于第2節(jié)中的溫度檢測(cè)方案設(shè)計(jì),求解測(cè)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(shí)際上它們的標(biāo)稱值是有初始誤差的,解決的辦法就是對(duì)它們進(jìn)行校準(zhǔn)。具體方法是使用2個(gè)不同電阻值的模擬電阻來進(jìn)行2次測(cè)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(duì)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(huì)得到兩組共4個(gè)等式(6)~(9),其中僅有RL、R和VR三個(gè)未知數(shù),使用其中3個(gè)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(gè)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(chǔ)器中就可以作為正式測(cè)量R,時(shí)的已知參數(shù)使用,至此，完成了測(cè)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(shí)的熱電阻阻值RT,從而計(jì)算出實(shí)際測(cè)量的溫度值。
5具體電路設(shè)計(jì)與參數(shù)選擇要點(diǎn)
　　2~4節(jié)從理論上對(duì)三線制鉑電阻的精度高檢測(cè)進(jìn)行了分析,把理論落實(shí)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(shí)它的基準(zhǔn)供應(yīng)對(duì)象都是高阻抗端,沒有負(fù)載電流波動(dòng)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(shí)無自熱問題,能夠保證穩(wěn)定性。
　　對(duì)于熱電阻檢測(cè),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(dòng)電流。常用的Pt100熱電阻驅(qū)動(dòng)電流為1mA左右,0℃時(shí)空氣中的自熱系數(shù)為5mW/℃左右。檢測(cè)電路以Pt100熱電阻檢測(cè)對(duì)象,R取3kΩ,AD7714Y內(nèi)置PGA設(shè)定為8倍。0℃時(shí)工作驅(qū)動(dòng)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(shí)間熱電阻處于驅(qū)動(dòng)狀態(tài),實(shí)際自熱功率只有約0.008mW,熱電阻因驅(qū)動(dòng)電流產(chǎn)生的自熱僅帶來約0.002℃的誤差,可以忽略不計(jì)。
　　具體設(shè)計(jì)中對(duì)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(shí)對(duì)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(jì)首先遵循AD7714Y手冊(cè)的基本要求敷設(shè)必要的模擬地平面擴(kuò)散區(qū),同時(shí)保證所有模擬信號(hào)地采用星形接地連接。
6測(cè)試
　　為圖1電路配置了一片P89LPC932單片機(jī)和---塊3V電源串行驅(qū)動(dòng)的128x32點(diǎn)陣LCD模塊,用單片機(jī)P2口定義了4個(gè)按鍵,編制了簡(jiǎn)單的軟件對(duì)電路進(jìn)行了測(cè)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(cè)試前對(duì)電路的VR與R兩個(gè)基準(zhǔn)參數(shù)進(jìn)行了校準(zhǔn)，然后進(jìn)行正式檢測(cè)。
　　首先進(jìn)行分辨率測(cè)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(jìn)檔進(jìn)行分辨率檢測(cè),每撥動(dòng)一檔,顯示值波動(dòng)0.001~0.002Ω,說明分辨率達(dá)到了0.001Ω。
　　第二步進(jìn)行精度測(cè)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(cè)試僅對(duì)絕對(duì)電阻值進(jìn)行了檢測(cè),軟件中對(duì)采樣結(jié)果進(jìn)行了簡(jiǎn)單的滑動(dòng)平均濾波處理。具體在0~400C范圍內(nèi)對(duì)應(yīng)的阻值區(qū)間檢測(cè)了4點(diǎn),結(jié)果見表1。
 
　　由表1可以對(duì)誤差進(jìn)行簡(jiǎn)單分析。檢測(cè)最大絕對(duì)誤差0.006Ω,最小絕對(duì)誤差0.001Ω。在100Ω與200Ω兩個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)上誤差最小，其他兩點(diǎn)誤差稍大。分析一下電阻箱使用的檔位情況，整個(gè)過程僅使用了100Ω與200Ω兩個(gè)x100檔和一個(gè)50Ω的x10檔,再分析150Ω與250Ω兩個(gè)檢測(cè)結(jié)果,能夠明顯發(fā)現(xiàn)最大誤差是50Ω檔位帶來的，因?yàn)檫@個(gè)檔位不是校準(zhǔn)點(diǎn)，精度僅由電阻箱的基本精度來保證。以最大絕對(duì)誤差0.006Ω計(jì)算,對(duì)應(yīng)ITS-90標(biāo)準(zhǔn)分度表,以0℃時(shí)3850x10^-6/℃的靈敏度計(jì)算,測(cè)試過程中的最大溫度檢測(cè)絕對(duì)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(shí)電路簡(jiǎn)潔成本低?？梢杂糜诰雀邤?shù)字溫度計(jì)、便攜式溫度計(jì)、大量程比智能溫度變送器等設(shè)計(jì)中,同時(shí)對(duì)于便攜式精度高測(cè)量類儀器的設(shè)計(jì)具有一定的借鑒和參考價(jià)值。