用于低溫試驗的多通道高精度鉑電阻測溫電路

凌思睿，張 偉

(北京航天試驗技術研究所，北京 100074)

0 引言

隨著深空探測、重型運載火箭等任務不斷推進，要求航天器有較長的在軌滑行時間，對液氫液氧等低溫推進劑蒸發(fā)量的控制也提出了更高的要求。圍繞多層絕熱、熱力學排氣等技術進行的低溫推進劑蒸發(fā)量控制試驗越來越多[1-12]。試驗單位進行低溫試驗時，一般是在已有成套的多通道同步電壓采集系統(tǒng)的基礎上，根據(jù)需求配套驅(qū)動電路、傳感器和電纜等。低溫試驗要求溫度傳感器有較高精度，并布置大量的測點對試驗件、工藝系統(tǒng)和試驗環(huán)境的溫度進行監(jiān)測，這就使成本成為必須考慮的因素。此外，低溫試驗件一般處于真空艙或密封的低溫容器中，少量測點失效時停止試驗進行修復的代價太大，一般要求能把失效的傳感器屏蔽。

Pt100鉑電阻測量精度高、測量范圍大(14～873 K)[13]，可以用于低溫試驗中貯箱外壁、工藝管路和環(huán)境溫度等溫度測點。然而，Pt100在低溫段存在非線性且阻值較小的缺陷。但在低溫試驗的狹窄溫區(qū)中，只要保證其重復性，并設計合適的驅(qū)動測量電路，即可廣泛應用于低溫試驗溫度測量[14]。

1 整體方案

對測量精度要求較高時，Pt100應采用4線恒流法，即從Pt100兩端引出4根線，2根用于恒流供電，2根用于電壓測量。與2線或3線測量[15]相比，4線法成本更高，但可以完全消除引線電阻導致的誤差，精度最高[16-18]。標準的4線法每個Pt100都需要配備1個高精度恒流源，當測量通道較多時，成本很高[19-20]。本文運用比例式測量思想，將多個待測Pt100與1個阻值已知的精密電阻串聯(lián)，通過Pt100和精密電阻兩端的電壓比值來計算Pt100的阻值。設計的測溫電路分為模擬和數(shù)字兩部分，其結(jié)構如圖 1所示。

模擬電路部分由恒流源、Pt100測溫電阻、精密參考電阻、放大電路、濾波電路組成。用于測溫的多個Pt100與參考電阻串聯(lián)，以同一個恒流源供電。各電阻兩端電壓經(jīng)過放大、濾波后輸入到后端A/D系統(tǒng)。因為各電阻上的電流I相同，則有

Rti=RfUti/Uf

(1)

式中：Uti、Rti為第i個Pt100上測得的電壓及其阻值；Uf、Rf為參考電阻上測得的電壓及其阻值?？梢娪嬎鉘ti時對電流的精度和穩(wěn)定性均沒有要求[21]。這種方法消除了恒流源性能對測量精度的影響，降低了成本。

圖1 測溫電路結(jié)構圖 Fig.1 Structure diagram of the temperature measuring circuit

數(shù)字電路部分以ATMega328P平臺為核心，連接串口屏進行人機交互，通過I/O擴展控制繼電器，其作用是當試驗中需要的傳感器個數(shù)小于系統(tǒng)通道數(shù)，或者傳感器出現(xiàn)失效時，可閉合繼電器，將未用或失效的通道短路以保持電阻間的串聯(lián)結(jié)構。

與Keysight 34972A等通道掃描型多路測量采集單元方案相比，本文方案可以充分利用已有的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實現(xiàn)各通道數(shù)據(jù)的同步采集，使比例式測量的精度更高，多通道測量的實時性也更好。

2 模擬電路設計

2.1 恒流源設計

恒流源的電路原理如圖 2所示。Rset，Rload分別為電流設置電阻和負載電阻阻值。電流設置電阻與負載電阻串聯(lián)，則有

I=Vset/Rset=Vin/(GRset)

(2)

式中：I為負載電阻上的電流；Vset為輸入電壓Vin被儀表放大器的增益G拆分后的電壓差。因為比例式測量不要求I的絕對精度和穩(wěn)定性，所以該恒流源各部件對溫度漂移、輸入偏置電流的要求大大降低，元件選擇應以低噪聲為主要依據(jù)。在本設計中，高精度低溫漂的電壓基準芯片REF5045提供大小為4.5 V，噪聲小于12 μV的Vin。運放U1選用低噪聲，軌到軌輸出的OPA333。儀表放大器U2選用軌到軌輸入的INA326，當選擇R2=200 kΩ，R1=40.2 kΩ時，可設置其增益G=2R2/R1≈9.95。根據(jù)式(2)，欲使I=1 mA左右(Pt100無自熱效應的最大電流)，則Rset應為453 Ω(1%)。

圖2 恒流源原理圖Fig.2 Schematic diagram of the current source

恒流源可驅(qū)動的負載主要取決于負載上的電壓Vload和電流設置電阻上的電壓Vset。必須保證Vload+Vset在運放U1的輸出電壓范圍內(nèi)，同時Vload+Vset/2在儀表放大器U2的輸入共模電壓范圍內(nèi)。使用5 V供電時，按低溫試驗中的常用阻值范圍(2～120 Ω)和電纜電阻(≤10 Ω)概算，最多可驅(qū)動約30個Pt100。

2.2 放大及濾波電路設計

低溫試驗中用1 mA電流驅(qū)動Pt100，其兩端的電壓約為2～120 mV。本設計中設計了雙電源儀表放大器INA828將其放大50倍供后端A/D系統(tǒng)采集。如用于單電源設計中，可改用INA326。INA828是目前市面上性能較好的儀表放大器，增益由單個電阻Rg決定：G=1+50 kΩ/Rg。INA828輸入偏置電流為0.15 nA，即每路放大器對電流Ⅰ分流引起的誤差不超過0.3 ppm；輸入失調(diào)電壓為20 μV，可通過參考端的調(diào)節(jié)或后端數(shù)字調(diào)零消除。

為了提高信號質(zhì)量，在儀表放大器后設置低通濾波電路，可有效排除低溫試驗現(xiàn)場大型設備帶來的50 Hz工頻等干擾。采用了Sallen-Key四階巴特沃斯有源濾波器，截止頻率設置為10 Hz，且容易調(diào)整，直流增益為1 V/V，通帶增益沒有紋波，濾波效果很好。雙運放選用OPA2187，其自動歸零技術可提供低至1 μV的輸入失調(diào)電壓和0.001 μV/℃的漂移，同時具有軌到軌輸出，輸入共模范圍包括負電源軌，非常適合用于本設計中的濾波電路。

2.3 無源器件選擇

從式(1)可知，參考電阻Rf的精度直接影響Rt的測量精度，因此Rf應選擇低溫漂的精密金屬箔電阻，其阻值為100 Ω，溫漂低于5 ppm/℃。注意用高精度檢定后的阻值進行計算，并盡量減少參考電阻引腳間的溫度梯度，即可有效保證精度。此外，儀表放大器的增益電阻Rg也應采用低溫漂電阻以減小增益漂移。

Rset，R1和R2決定了恒流源輸出電流的特性，但在本設計中對精度和溫漂的要求不高，因此選用1%的薄膜電阻即可。R3，R4和C1用于提供直流和交流反饋通道，不直接影響恒流源性能，對器件選型沒有特殊要求。

2.4 數(shù)據(jù)采集要求

在比例式測量中，各待測電阻上的電壓和參考電壓應在同一時刻完成采集，以避免受恒流源和其他元件的穩(wěn)定性影響。因此，應根據(jù)環(huán)境溫度和待測溫度的變化速率，選擇掃描速率足夠高的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，或者多通道同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。當測量通道多時，后者在各數(shù)據(jù)同步性上有明顯優(yōu)勢。

3 數(shù)字電路設計

3.1 主控模塊

本設計的主控模塊使用Arduino UNO實現(xiàn)。Arduino UNO是一款基于ATMega328P設計，軟硬件均開源的開發(fā)平臺[22]，其主要功能是利用74HC595芯片實現(xiàn)I/O擴展，經(jīng)過隔離放大后控制每個繼電器的狀態(tài)以及對應通道的指示燈。同時通過內(nèi)置程序與串口屏通信，接收操作人員開關繼電器等命令。

3.2 繼電器控制電路

為了節(jié)省單片機的I/O口，應用74HC595芯片組成串入并出電路。74HC595是帶有輸出鎖存功能的通用移位寄存器芯片，與繼電器的連接如圖 3所示。并行輸出口Q1～Q7分別連接到光耦的輸入端，以隔離后端負載的影響，同時連接LED進行狀態(tài)顯示。光耦的輸出端控制NPN型達林頓管陣列ULN2803APG，驅(qū)動繼電器工作。繼電器的常開觸點并聯(lián)在Pt100兩端，如欲關閉某測溫通道，則令74HC595對應的并行輸出口輸出低電平，繼電器閉合把該通道短路即可。

圖3 繼電器控制電路原理圖Fig.3 Schematic diagram of the relay control circuit

如圖1所示，儀表放大器的2個輸入端以開爾文接法連接到Pt100兩端，繼電器的觸點并聯(lián)在輸入端外側(cè)，因此繼電器觸點狀態(tài)應該不影響4線電阻測量。但是當閉合繼電器，對放大電路和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行數(shù)字調(diào)零時，繼電器的引線電阻和接觸電阻將造成一定誤差。因此，應選擇接觸電阻小的繼電器，并使其連接到Pt100的線路盡量短。

3.3 串口屏

串口屏是一種集成了顯示屏、觸摸屏、CPU和存儲器的獨立顯示器件，與主控模塊通過串口進行通信[23-24]。本設計選用淘晶馳7英寸電阻式觸摸串口屏，其VCC和GNC引腳需提供5 V供電，與主控模塊通過串口0引腳(RX)、1引腳(TX)連接后，即可正常工作。

4 軟件設計

軟件分為嵌入式主控程序和串口屏程序。嵌入式主控程序在Arduino IDE環(huán)境下開發(fā)，其主要功能包括接收指令、輸出控制和顯示控制。軟件的主要流程為：系統(tǒng)上電后，主控模塊首先讀取上次記錄在EEPROM中的數(shù)據(jù)進行初始輸出，之后等待串口輸入。如果串口輸入開始標志(0x72)，則繼續(xù)讀取數(shù)據(jù)長度、命令字和數(shù)據(jù)，最后檢查連續(xù)3個0xFF結(jié)束符是否正確。正確接收命令后，根據(jù)不同的命令字進行更新或復位輸出緩存操作。若命令字為“S”即用戶點擊“應用更改”，則把輸出緩存通過shiftOut等函數(shù)以串行方式輸出到74HC595芯片，并寫入EEPROM。程序流程圖如圖 4所示。此外，主控模塊通過串口發(fā)送指令，可以控制觸控屏的顯示內(nèi)容，同時接收處理串口屏發(fā)送的指令數(shù)據(jù)。

圖4 測量通道配置軟件流程圖 Fig.4 Flowchart of the measuring channel configuration software

開發(fā)串口屏程序時，要先在廠家提供的開發(fā)環(huán)境中添加圖形控件作為按鈕，之后在控件的彈起事件中通過串口發(fā)送相應的指令字。編譯下載后，串口屏就可以獨立顯示界面并響應用戶操作。

5 系統(tǒng)誤差分析

根據(jù)式(1)，Rt的理論精度與Rf，Ut和Uf的測量精度有關。但實際的測量精度還與元件噪聲、電磁干擾、電纜阻抗、后端A/D性能等眾多因素相關，難以完全分析。其中一些誤差容易通過數(shù)字校準、調(diào)零等手段校正，下面將只討論不可調(diào)整誤差，并統(tǒng)一折合到輸入端電壓估算其影響程度。設Pt100引線為0.2 mm2，長度10 m，環(huán)境溫度為27 ℃，變化范圍≤30 ℃，儀表放大器增益為50，輸入電壓為100 Ω·1 mA=100 mV，信號帶寬取10 Hz。

5.1 電阻

參考電阻和Pt100主要引入3個不可調(diào)整誤差源：參考電阻在計算時的數(shù)值精度與檢定等級有關，按0.005級估算；此外還有電阻溫漂和熱噪聲引入的誤差，如表1所示。

表1 電阻不可調(diào)整誤差估算

5.2 恒流源

在比例式測量中，恒流源的主要影響體現(xiàn)在輸出電流的噪聲在Pt100等電阻上產(chǎn)生的電壓噪聲，如表2所示。

表2 恒流源不可調(diào)整誤差估算

5.3 放大電路

放大電路的性能是影響系統(tǒng)精度的重要因素。其中輸入輸出失調(diào)電壓和增益誤差等可被校正，不可調(diào)整誤差如表3所示。

表3 放大電路不可調(diào)整誤差估算

其中共模抑制比指當連接多個Pt100時，各個Pt100上的共模電壓不一致所引起的通道間相對誤差。此處按同時連接30個Pt100時，最高側(cè)的Pt100與參考電阻之間的共模電壓差計算。此外，當系統(tǒng)中連接多個儀表放大器時，每個輸入引腳上的偏置電流會疊加在恒流源的輸出電流上，導致高側(cè)和低側(cè)電阻上流過的電流不一致，引入誤差。因此，應盡量選擇輸入偏置電流小的儀表放大器。此處按連接30個儀表放大器，且所有偏置電流方向一致的最惡劣情況估算其影響。

5.4 濾波電路

濾波電路主要引入失調(diào)電壓和增益誤差等可被校正誤差，不可調(diào)整誤差主要是0.001 μV/℃的失調(diào)電壓溫漂和噪聲，如表4所示。

表4 濾波電路不可調(diào)整誤差估算

5.5 繼電器

關閉恒流源并閉合繼電器對每個通道進行整體數(shù)字調(diào)零時，繼電器接觸電阻與引線電阻位于儀表放大器輸入端之間，通過失調(diào)電流引入了不可調(diào)整誤差。繼電器接觸電阻按50 mΩ估算。引線電阻按正負每根線長20 cm估算，如表5所示。

表5 繼電器不可調(diào)整誤差估算

5.6 總誤差估算

根據(jù)誤差理論，認為上文所分析的各項誤差之間相互獨立。把上述各分項誤差求均方根，則可估算本系統(tǒng)測量電阻時的總不可調(diào)整誤差約為0.040 7%?？梢妰x表放大器的增益溫漂為主要誤差源，其余幾個較大的誤差源也與溫漂有關。因此在電路使用過程中應盡可能保持環(huán)境溫度穩(wěn)定。

6 測試與試驗

6.1 模擬電阻測試

為評估電路性能，利用ZX25a型精密可調(diào)電阻箱調(diào)節(jié)成2～120 Ω的不同阻值代替鉑電阻，并串聯(lián)19只100 Ω，1%電阻模擬多路同時測量。利用Keithley 2000六位半數(shù)字多用表4線制測量參考電阻和可調(diào)電阻箱的阻值(測量精度0.008%)，并利用2臺同樣的多用表測量放大后的Ut和Uf(測量精度0.002%)，計算出阻值后與多用表的測量值比較，結(jié)果如表 6所示。測試結(jié)果顯示電阻測量相對誤差小于0.02%，在77 K時造成的溫度誤差小于1.7 mK。

表6 模擬電阻測試結(jié)果

6.2 現(xiàn)場校準

為測試電路的實際測溫精度，根據(jù)氮沸點比較法[25]設計了現(xiàn)場校準試驗。在液氮比較槽中注滿液氮，待槽溫穩(wěn)定度優(yōu)于5 mK/10 min后，把2支WZPB-11A型二等低溫鉑電阻溫度計插入到等溫銅塊底部，其中一支作為監(jiān)視用，一支用于被檢。待溫度達到熱平衡后，利用FLUKE 1594A超級測溫電橋測量被檢溫度計電阻，再用本文電路和Keithley 2000數(shù)字多用表測量。共進行2次循環(huán)4組數(shù)據(jù)，計算被檢溫度計的測量平均值，并根據(jù)溫度計檢定證書上的數(shù)據(jù)換算成溫度。試驗結(jié)果顯示在氮沸點，溫度測量誤差為-2.32 mK，符合二等溫度計的精度范圍。

把上述校準過程中的電壓測量裝置從數(shù)字多用表更換成試驗現(xiàn)場實際使用的Pacific 6000數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(精度0.05%)，用2個通道分別測量Ut和Uf，再次進行校準試驗。結(jié)果溫度測量誤差為-4.16 mK，符合二等溫度計的精度范圍。

6.3 實際試驗應用

本文設計的電路在某型號低溫貯箱排放試驗中應用，在液氮溫度下，同時利用28路Pt100測量貯箱和加排管路的壁溫。系統(tǒng)連續(xù)正常運行7天，正確獲得了所需數(shù)據(jù)。

7 結(jié)語

本文設計了集成恒流源和放大濾波功能的多路串聯(lián)式鉑電阻測溫電路，開發(fā)了通道控制和人機交互界面，方便與各種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)配合使用。其比例式測量方法對恒流源等部件的精度和漂移要求不高。串口屏提供了友好的人機交互界面，可廣泛應用于實驗室和試驗現(xiàn)場的低溫測量系統(tǒng)中。