多通道热电阻精密测量的设计与实现

摘要:在长线传输的多通道热电阻测量过程中,长线传输带来的附加误差和电路工作环境变化带来的附加误差远远超过了要求的误差。文中提出的四线制电阻信号传输解决了长线传输带来的附加误差;自校正电阻测量法是通过比较三组测量信号的相对大小求得待测电阻值,该方法的优点是可以抵消测量电路中的漂移影响,从而保证在较恶劣的外界环境下能取得较高精度的测量结果。该方法已在实际应用中得到验证。
在自行设计的多点温度测量系统中,要求温度监测点6个,测量范围:0℃~+50℃,分辨力:±0.1℃，精度:±0.2℃。通过传感器的比较,采用精度高、稳定性好、回差和重复性误差都很小的Pt100铂电阻传感器为测温元件,若达到0.1℃的温度分辨力0.2℃的精度，电阻测量的分辨力需小于0.025Ω、精度小于0.05Ω。
　　在传感器安装过程中,需要配置最长达60m的引线,引线电阻及引线长度的离散性远远超过了给定的精度的要求,同时测量电路工作环境的温度也在发生变化,测量电路漂移的影响尤为突出。要达到上述测量指标,必须采取一定措施。本文提出一种基于“四线制电阻信号传输和自校正电阻测量法”的测量方法,能有效克服引线和漂移的影响,取得了较好的测量效果。
1.热电阻测量误差分析
　　热电阻常规测量方法是通过施加恒定的电流将电阻值变为电压进行测量、测量方法如图1所示,这种测量方法有多种误差来源。
 
1.1引线问题
　　如图1所示,R为待测热电阻,r为ui引线电阻,如果用两线制传输,则测得的总电阻为：
Z=ui/I=R+2r
　　从上式中可以看出,用两线制传输传输,会带来2r的测量误差。测量系统中用的传输线每米电阻为0.061Ω,2r为0.122Ω。该系统中测量元件(热电阻)与测量电路连线较长,该系统需要配置最长达60m的引线，系统中铂电阻每变化1℃时的电阻变化约为0.398Ω左右,引线每变化1m,会带来0.3℃的测量误差,所以必须消除引线电阻带来的误差。
1.2漂移问题
　　系统要求测量装置具有很高的环境适应性,其测量电路的漂移就显得尤为突出。系统要求,温度分辨力为0.1℃,对应Pt100的阻值变化约为0.04Ω。取恒流源为0.5mA(此值必须适中,过大则电阻的自发热不能忽略;过小则电阻上电压信号小,影响输出的信噪比),该电流在0.04Ω的压降为0.02mV。这就是系统在输入端所要求的分辨力。
　　假设环境等因素引起的恒流源的变化为△I,对应Pt100上的电压变化△V=R△l≈100△/(Pt100的.电阻按0℃时的中间值100Ω估算)。为保证系统的精度要求,在整个使用环境条件下,必须有△I<△V/R=0.0004mA,即恒流源的变化必须满足△I<0.4μA。显然这个要求是相当苛刻的。
　　事实上，测量误差还必须考虑其它环节的影响。如测温元件的长引线电阻变化对恒流源的影响;放大及信号调理电路中,运算放大器的失调电压、放大倍数以及零点电压的漂移;后级的AD转换器的漂移等以及电源电压的变化等[5]。最终对电路元器件的要求将会更加苛刻。如果采用图1方案,则只有全部使用精度很高、温漂极小的元件,才有可能满足系统的测量精度要求。这在工程上实现起来有一定的难度。
2四线制电阻信号传输和自校正电阻测量法
2.1四线制电阻信号传输
　　图2所示为四线制接线法的电阻测量电路,其原理是电流源走2条线(对应的节点Hc、Le),回馈的电压信号走2条线(对应的节点Hp、Lp)。因为电压回馈线不流电流,因此外接引线没有压降。输入的电压信号只是热电阻两端的电压,消除了引线电阻造成的影响。
 
2.2.6通道自校正热电阻测量原理
　　在电路漂移存在的情况下,利用其变化缓慢的特点,通过对3个电阻的3个测量值的比较,可抵消漂移的影响。
 
　　如图3中,R1、R2为精密标准电阻,R3~R8为6个待测热电阻,恒流源同时向8个串联的电阻供电，电路中8个电阻上的信号电压通过模拟开关的切换,分时送给同一个放大调理电路,信号处理后输送至A/D转换器及微控制器。设对应于R1、R2通路输出的A/D结果为D01、D02,R3~R8为6个待测热电阻通路输出的A/D结果分别为Doa~D&，为书写方便,简记为DoT,则有:
D01=K1×R1+D1ƒ
D02=K2×R2+D2ƒ
DoT=KT×RT+DTƒ
　　式中:K1、K2、KT分别为从电阻加载电流源变为电压信号、经调理电路至A/D转换结果中的比例系数;D1ƒ.D2ƒ、DTƒ分别为经调理电路至A/D转换结果中的零点(包括漂移部分)。因为整个处理过程为线性处理,所以A/D转换结果与电阻可以用上述表达式。
　　信号传递通道中的模拟开关,因为其后续部分为输入阻抗非常大的仪表放大器,因而开关上几乎没有电流只传递电压信号，经过每个电阻(R1、R2R3~R8)的电流相等,且其导通电阻本身及其不均匀性的影响都可忽略;每个电阻(R1、R2,R3~R8)经模拟开关后的后续电路是同一个电路,而后续电路的参数及电流源的大小在短时间(秒级)内是不变的,即:K1=K2=KT;D1ƒ=D2ƒ;=DTƒ;由测得的A/D值D01、D02、D0T可解出:
 
　　显然,RT只取决于测量结果的相对值，漂移对测量的影响被抵消了。可见,此方法对整个电路的漂移都具有实时的自校正功能。与其它具有温度补偿功能的测量方案[1.]1相比,它不需要测量仪器的环境温度,也无须进行复杂的软件计算,且电路简单、调试方便,因而更具实用性。
　　上述电路中采用了“四线制”接法克服了长引线电阻带来的误差。
3.6路热电阻测量的实现
3.1测量电路与计算处理
　　如图3,R1、R2采用精度为±0.01%、温度系数为+2ppm的标准电阻,即使工作环境温度有±30℃的变化,相应阻值变化也仅有0.006%,可忽略不计而视其为已知的常数。其他模拟电路中均选取常规元器件;8x2模拟开关选用ADG507;A/D转换器选用16位带数字滤波功能的AD7715，其非线性误差为0.0015%;微控制器选用P89LPC935。按照公式:
 
　　在程序计算中,热电阻计算至0.001Ω公式中前半部分具体计算公式为20000x(D0T-D01),再除以(D02-D01),公式中后半部按100000处理,这样就保证了计算精度。
3.2测量误差分析
根据公式:
 
　　A/D转换器为16位，其非线性误差为0.0015%,由a所引起的测量误差比上述的误差小一个数量级，予以忽略。
3.3测量结果
　　为了进行对比做了两种试验:
(1)先在室温(25℃)下用标准电阻替代待测电阻(Pt100)对电路进行校准。将测量电路部分放在恒温箱内,不采用校正法的公式,直接读取每一路的A/D转换值。恒温箱温度从25℃~50℃变化,读出的A/D转换值漂移很大,折合电阻值变化最大为0.5Ω。
(2)先在室温下用标准电阻替代待测电阻(P1100)对电路进行校准。将测量电路部分放在恒温箱内,恒温箱温度从25℃-50℃变化，采用校正法的公式进行计算,读出的电阻值如表1所示,最大误差小于0.02Ω。表中.的数据选取的是6路中误差最大的一路数据。
 
　　实验数据表明，直接测量法受环境影响很大,其测算出的数据误差很大，不能满足精度要求;而同样的核心电路,经过三电阻法的自校正处理，测量结果受环境影响的程度得到很大修正,可满足系统测温的要求。
4结语
　　在设计的测温系统中,热电阻采用四线制连接,测量电路采用基于自校正思想的三电阻测量法,在.对测量数据的处理上,采用分段线性化的方法解决Pt100的非线性问题,同时配合数值滤波等软件处理。整个系统满足分辨力为±0.1℃、精度为土0.2℃的设计要求。该测温系统在中微子探测器稳定性监控技术研究中得到了实际应用结果表明,系统工作稳定可靠,满足设计要求。