關(guān)于提高工業(yè)鉑電阻測(cè)量精度的研究

文/丁誠(chéng) 方院生

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關(guān)于提高工業(yè)鉑電阻測(cè)量精度的研究

文/丁誠(chéng) 方院生

0　引言

溫度在科研和工業(yè)生產(chǎn)中是非常重要的參數(shù)之一，然而，溫度測(cè)量作為小信號(hào)測(cè)量，各種微量因素的影響會(huì)導(dǎo)致很大的誤差，如工業(yè)鉑電阻溫度計(jì)測(cè)量方案的設(shè)計(jì)、測(cè)量電路選擇、硬件自校正、微處理器ADC模塊選擇、微信號(hào)預(yù)處理、軟件濾波和非線性校正算法等。針對(duì)上述影響因素，在日常生產(chǎn)實(shí)踐過(guò)程中需采取改進(jìn)措施提高溫度測(cè)量的精度。

工業(yè)鉑電阻溫度計(jì)其測(cè)溫范圍為-200～850℃。由于金屬鉑的復(fù)現(xiàn)性好，其制作成的工業(yè)鉑電阻溫度計(jì)熱容量小，動(dòng)態(tài)特性好，電阻信號(hào)容易遠(yuǎn)傳。不過(guò)其也存在一些缺點(diǎn)，如需要外部電源供電，連接導(dǎo)線易受環(huán)境溫度影響而產(chǎn)生測(cè)量誤差。

1　測(cè)量方案

溫度測(cè)量屬于微信號(hào)采集的過(guò)程，我們從工業(yè)鉑電阻溫度特性、三線制接線方法、轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)、電流變換方向以及工作電流大小選擇等方面，多角度對(duì)溫度采集系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。尤其是針對(duì)三線制工業(yè)鉑電阻接線帶來(lái)的附加電阻，通過(guò)電橋測(cè)量方式消除附加電阻的影響。

1.1工業(yè)鉑電阻溫度特性

鉑電阻純度越高，其線性特性和復(fù)現(xiàn)性特性越好，因此，我們選用高純度的A級(jí)工業(yè)鉑電阻或者更高等級(jí)的鉑電阻作為溫度傳感器。鉑電阻是基于金屬導(dǎo)體的電阻值隨溫度的增加而增加這一特性來(lái)進(jìn)行溫度測(cè)量的。即在一定的溫度下，先測(cè)量出鉑電阻的電阻值R，然后得出等價(jià)的溫度t，其電阻值與溫度之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系如下：

其中，R0=100Ω（0℃時(shí)的電阻值），A=3.90802×10-3，B=-5.802×10-7，C=-4.27350×10-12。做成熱電阻的材料應(yīng)該選用電阻溫度系數(shù)較高的，電阻溫度系數(shù)越高，其穩(wěn)定性越好。

1.2三線制接法

工業(yè)鉑電阻PT100的接線方式有二線制、三線制和四線制三種接線方式，工業(yè)應(yīng)用中一般采用三線制方式較多。工業(yè)鉑電阻三線制接線方法的理解和應(yīng)用存在誤區(qū)，本文對(duì)此進(jìn)行特別說(shuō)明。PT100溫度傳感器采用三線式接法可消除引線線路電阻帶來(lái)的測(cè)量誤差，原理為：PT100引出的三根導(dǎo)線截面積和長(zhǎng)度均相同（即r1=r2=r3），測(cè)量鉑電阻的電路一般是不平衡電橋，鉑電阻（RPt100）作為電橋的一個(gè)橋臂電阻，將一根導(dǎo)線接到電橋的電源端，將另外兩根導(dǎo)線分別接到鉑電阻所在的橋臂及與其相鄰的橋臂上，這樣兩橋路都引入了相同大小的引線電阻，電橋處于當(dāng)引線電阻的變化時(shí)對(duì)測(cè)量結(jié)果沒(méi)有任何影響平衡狀態(tài)，如圖1所示。

圖1　三線制測(cè)溫電阻接線法

1.3轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)設(shè)想

任何轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)都有接觸電勢(shì)的存在，目前要求工業(yè)實(shí)踐中熱電阻測(cè)溫應(yīng)采用不超過(guò)1uV接觸電勢(shì)的轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)。若熱電勢(shì)值大小為1uV，以0℃時(shí)的微分電勢(shì)0.38Ω/℃計(jì)算，帶來(lái)的影響為2.56mK；如果熱轉(zhuǎn)換的開(kāi)關(guān)電勢(shì)較大，則相應(yīng)的按比例得到其影響量。為了減小熱電勢(shì)帶來(lái)的影響的目的，我們選用低熱電勢(shì)的轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，同時(shí)考慮采用電流換向的方式供給電源，其測(cè)量原理如圖2所示。假設(shè)E1為微小量熱電式，E2為提供電流的電源，令I(lǐng)正為如圖2所示電勢(shì)方向。

圖2　熱電勢(shì)帶來(lái)的影響效果圖

由公式（3）～（5）可以看出，接觸電勢(shì)E1被電流換向電路補(bǔ)償，消除了熱電勢(shì)的影響。

1.4工作電流大小選擇

按照規(guī)程的要求，電測(cè)儀表提供熱電阻測(cè)量電流應(yīng)保證功耗引起的溫升盡可能小，不會(huì)對(duì)不確定度評(píng)定帶來(lái)顯著的影響。因?yàn)闇y(cè)量電流會(huì)帶來(lái)工業(yè)鉑電阻的自熱效應(yīng)，由此引入的電阻差值，經(jīng)研究分析，工作電流一般選用不超過(guò)1mA的工作電流。

2　測(cè)溫系統(tǒng)自校正溫度補(bǔ)償設(shè)計(jì)方案

由于環(huán)境溫度對(duì)電阻和運(yùn)放性能的影響，使得測(cè)量系統(tǒng)在環(huán)境溫度變化較大時(shí)產(chǎn)生較大的誤差，這就要求在高精度測(cè)量中，需要尋找可靠的溫度補(bǔ)償方法。本文提出的方法是通過(guò)硬件電路補(bǔ)償溫漂影響的方法，在各種傳感器信號(hào)采集中普遍采用，具體方法是在前置放大器電路中加入硬件補(bǔ)償電路，指導(dǎo)思想是通過(guò)信號(hào)比較法消除集成電路漂移帶來(lái)的影響。

圖3　硬件自校正電路

如圖3所示，標(biāo)準(zhǔn)電阻R1、標(biāo)準(zhǔn)電阻R2、工業(yè)鉑電阻 RTP電阻上的電壓分別為 ui1＝ISR1、ui2＝ISR2、ui T＝ISRTP（其中集成電路芯片LM334提供1mA基準(zhǔn)電流源IS，在短時(shí)間內(nèi)基本為一固定值）。標(biāo)準(zhǔn)電阻R1和R2的精度是±0.02%、溫度系數(shù)是士2ppm。設(shè)置信號(hào)放大調(diào)理電路的電壓放大倍數(shù)為Ke，總的零點(diǎn)偏置（含漂移）為Df，Ke、Df雖有漂移但短時(shí)間內(nèi)仍可認(rèn)為其不變，則3路電壓信號(hào)經(jīng)放大調(diào)理電路放大后的輸出分別為：

通過(guò)公式（6）、（7）我們可以看到，電阻漂移和運(yùn)算放大器漂移對(duì)測(cè)量的影響被消除了，由此帶來(lái)的改進(jìn)對(duì)整個(gè)電路的漂移都具有動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)自校正功能，同時(shí)電路設(shè)計(jì)采用了“三線制”接線法，消除了引線電阻帶來(lái)的誤差，由上述兩個(gè)方法的結(jié)合可以得到更加真實(shí)的電阻值。由式（6）可得RT的計(jì)算式為：

3　預(yù)處理電路設(shè)計(jì)

3.1微處理器模數(shù)轉(zhuǎn)換單元

本系統(tǒng)微處理器采用F2812，該芯片的單通道轉(zhuǎn)換的最小的轉(zhuǎn)換時(shí)間是80ns，F(xiàn)2812內(nèi)部具有設(shè)有電壓比較電平，可以確保電源漂移情況下的數(shù)據(jù)采集的可靠性。ADC模塊輸入電平為3.3V，因此，信號(hào)輸入要確保在3.3V范圍內(nèi)。

3.2預(yù)處理單元

熱電阻溫度信號(hào)的測(cè)量是微小信號(hào)測(cè)量，是各類測(cè)量?jī)x表和測(cè)控技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)，直接關(guān)系到溫度測(cè)量精度。模擬信號(hào)的預(yù)處理模塊將前端傳感器采集到的電壓信號(hào)（由傳感器變換而來(lái)），經(jīng)過(guò)低電勢(shì)多通道轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)將模擬信號(hào)傳送至信號(hào)放大調(diào)理電路，并將處理的信號(hào)最終送至微處理器芯片F(xiàn)2812的模數(shù)轉(zhuǎn)換端口，其電路如圖4所示。

圖4　信號(hào)放大調(diào)理電路

信號(hào)調(diào)理電路由兩部分組成，即前端帶有放大功能的電壓跟隨處理電路和后半端的電壓放大電路。XA1端的電壓增益幅度由R1、R2的阻抗比值來(lái)決定，其公式如（8）式所示。通過(guò)兩級(jí)信號(hào)放大電路，根據(jù)測(cè)溫范圍和對(duì)應(yīng)電壓大小，來(lái)選擇合適的放大率，使得信號(hào)放大調(diào)理電路輸出電壓最大不超過(guò)3V。同時(shí)，為了防止外部串入干擾信號(hào)，造成信號(hào)放大電路超出微處理器滿量程范圍，可以在信號(hào)進(jìn)入微處理器模數(shù)轉(zhuǎn)換端口前添加齊納二極管和電容，確保微處理器的安全。在某系統(tǒng)中證實(shí)采用了此電路證實(shí)其抗干擾能力較強(qiáng)，可在大溫度變化條件下使用。

通過(guò)電橋信號(hào)和上述信號(hào)調(diào)理電路相結(jié)合，可以高精度測(cè)量工業(yè)鉑電阻阻值大小，并快速轉(zhuǎn)換為溫度值。

3.3輸出信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)化

工業(yè)鉑電阻信號(hào)的輸出標(biāo)準(zhǔn)化對(duì)于遠(yuǎn)距離傳輸非常有利，因此可以將工業(yè)鉑電阻信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)化。根據(jù)工業(yè)鉑應(yīng)用場(chǎng)合來(lái)確定其電阻測(cè)溫范圍，工業(yè)上常用的標(biāo)準(zhǔn)輸出電流信號(hào)為4～20mA。也可根據(jù)需要轉(zhuǎn)換為0～5V標(biāo)準(zhǔn)電壓或0～3V非標(biāo)準(zhǔn)電壓輸出。

4　數(shù)字濾波

高精度溫度測(cè)量隊(duì)測(cè)量設(shè)備要求很高，針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)各類干擾源，盡管采取了各類抗干擾的努力，提高設(shè)備性能，然而采集的數(shù)據(jù)因高頻采樣需要對(duì)其進(jìn)行處理，可使溫度數(shù)據(jù)更接近真實(shí)情況。

在硬件設(shè)計(jì)上可以通過(guò)濾波、增加電源穩(wěn)定性等方式，可以有效地減少系統(tǒng)采集時(shí)的數(shù)據(jù)干擾；另外，通過(guò)軟件方式對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行濾波處理，也可以有效減小干擾源帶來(lái)的影響。模數(shù)轉(zhuǎn)換單元得到的模擬量在受到外界干擾后，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后的采集的值偏離了真實(shí)值。因此，需要通過(guò)多次采樣得到一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)序列，通過(guò)不同的軟件算法相結(jié)合的方式處理后才能得到一個(gè)可信度較高的結(jié)果，這種方式稱為綜合式數(shù)字濾波。數(shù)字濾波方式有多種，如中值濾波、算數(shù)平均濾波、去極值平均濾波、加權(quán)平均濾波、滑動(dòng)平均濾波。這里采用去極值平均濾波法，其公式如（9）所示。算法原理是：對(duì)于TMS320F2812微處理器信號(hào)采集方法是采用電壓值采集，連續(xù)采樣n次，將其累加求和，同時(shí)找出并剔除其中一定數(shù)量（根據(jù)采樣頻率與實(shí)際需要考慮）的最大值和最小值，再?gòu)睦奂雍椭袦p去一定數(shù)量的最大值求和值和最小值求和值，按n-k1-k2個(gè)采樣值求平均，即有效采樣值。

5　非線性校正算法

6　小結(jié)

本文從工程實(shí)際出發(fā)，在工業(yè)熱電阻溫度傳感器的硬件電路設(shè)計(jì)和軟件優(yōu)化方面進(jìn)行了改進(jìn)，測(cè)量精度可以達(dá)到10mK，極大地提高了溫度測(cè)量精度。該套測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)用于某變電站測(cè)溫系統(tǒng)，功能穩(wěn)定，應(yīng)用效果良好。

作者簡(jiǎn)介：丁誠(chéng)（1986-），男，助理工程師，本科，任職于廣州粵能電力科技開(kāi)發(fā)有限公司，從事計(jì)量檢定工作；方院生（1984-），男，工程師，碩士，任職于廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，研究方向?yàn)闄z測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化裝置。