精度高三线制热电阻检测方法

摘要:介绍了一种恒压分压法测量三线制热电阻阻值的方法,使用放大器0PA334与24位分辨率Σ-Δ型A/D转换器AD7714Y设计了简洁的输人检测电路。检测过程补偿了导线电阻影响、接触热电势影响及放大器输人漏电流等误差因素。介绍了测量电路自身基准参数的数字校准方法。对于Pt100热电阻,检测分辨率达到0.001Ω,在0~400℃范围内,热电阻测量的绝对误差小于0.01Ω。该测量方法具有精度高、量程宽、成本低及低功耗等特点,能够广泛应用于各类精度高测温仪表。
1.引言
　　温度参数是目前工业生产中最常用的生产过程参数之一,对温度的测量虽然有许多不同的方法,但热电阻凭借其优良的特性成为目前工业上温度测量中应用最广泛的传感元件之一。随着精细化工、微电子、生物工程等技术的发展,对温度的精度高检测要求也越来越高,许多实验室与工业生产环节中，经常要求温度的测量精度为0.1%以上,有些要求绝对误差小于0.1℃。在各种检验设备中,如检验用恒温槽要求设备能够提供分辨率达到0.01℃等级的精度高温度指示,这就要求要作到对温度的精度高测量。又如,在配置热电阻传感器的智能型二线制一体化温度变送器中,也要求对温度有精度高地测量,这样才能够保证变送器在全量程范围内的精度高。提出的三线制热电阻测温方法对于Pt100热电阻,检测分辨率达到0.001Ω,在0~400℃范围内，热电阻测量的绝对误差小于0.01Ω。具有精度高、量程宽、成本低及低功耗等特点,能够广泛应用于各类精度高测温仪表。
2传感器检测电路设计及三线制热电阻温度检测基本原理
　　热电阻温度传感器被广泛应用于工业测温场合,尤其是铂电阻具有高稳定性和良好的复现性,也被用来作为温度基准仪器”。所涉及的设计都是以Pt100传感器为例的,检测电路采用3V电源供电,整个检测电路工作电流约1.6mA。全部器件均选用工业级温度产品,主要围绕高测量精度目标进行设计，同时兼顾低功耗性能。
　　图1是信号输人部分电路原理图,采用典型的三线制工业应用方式检测热电阻信号,并同时剔除导线影响。电路未采用常用的恒流驱动,而是具体采用了恒压法,电阻分压的方式采样。电路极其简洁,仅使用一片运算放大器0PA334与一片A/D转换器AD7714Y就完成了热电阻信号三线制方式的输人检测。通过两次采样和软件处理后,能够完全剔除导线影响，并能够获得精度高的热电阻阻值。AD7714Y为24位的Σ-Δ型A/D转换器,具有带缓冲的两路差分输人和可编程前置放大器,线性度为0.0015%,具有自动校准功能,能够适应大的信号动态范围,因此能够充分保证传感器的全量程精度。同时它运行功耗小于600μA,掉电时功耗小于10μA,非常适合用来设计低功耗精度高的检测电路。
 
　　如图1所示,电阻Rr接成了三线制,R,为三根导线电阻,随应用场合不同,RL阻值不定,一般每根导线电阻在5Ω之内。电阻与测量电路以A、B、C三点连接,实际上是与电阻R构成了对电压VR的分压电路。这里R=3kΩ，基准电压VR由MAX6161提供,具体为1.25V,它通过0PA334缓冲后加在分压电路上。0PA334是失调漂移小.于0.05μV/℃的放大器,同时具有掉电功能,这里使用它做缓冲的目的是进行接触热电势影响及放大器输人漏电流等误差补偿,具体在第3节介绍。由于采用单电源,为保证信号在AD7714Y的差动输人范围内,基准电压的负端VR_不是直接接地的,而是通过一-只肖特基二极管IN5818接地,人为提供了约200mV对地偏置电压。
　　具体的导线电阻补偿需要采用2次采样后运算处理。当在VR和R是已知的前提下,通过检测VAB和VAC,就能够通过计算的方法得到Rr,从而求的实际温度。VAB和VAC的检测由AD7714Y完成,它设置为双极性输人和3个准差分输人方式。通道1检测VAC,通道2检测VAB,前置PGA的放大倍数由具体热电阻型号及测温范围决定。参见图1,可以获得关于VAB和VAC的关系式(1)和(2),它们实际上是以RT和RL为未知数的二元一次方程,通过求解,可以获得RT,即关系式(3)。在此，RL则可以看作过程中的无.关变量,对RT没有任何影响,被彻底剔除。
 
　　获得R，后,采用国际温标ITS-90中给出的RT(t)多项式函数公式RT=R0(1+At+Bt²+Ct³)，通过迭代试差法即可精确求解出实际的温度值具体结果精度可以通过设置结果偏差人为控制，理论上,迭代获得的对应温度值能够做到与函数曲线基本完全拟合。
3接触热电势影响及放大器输入漏电流等.误差因素补偿方法
　　在第2节对三线制检测原理的描述中,式(1)~(2)都是在理想状态下的方程。实际上，测量信号中还包含有接触热电势影响及放大器输人漏电流等影响因素。
　　以传感器直接与仪表连接的现场温度仪表为背景,以VAc的检测为例进行分析,它主要包含了热电阻与2条导线在恒压环节中的分压。同时，两条导线与电阻存在两个不同金属材质的接点,引线一般为银线,这两个接点为铂-银接点;两条导线又引出后连接在接线端子上,接线端子一般为铜质合金,又增加两个银-铜合金接点;端子将信号引人放大器至少又要增加一-对铜合金一铜接点。这些成对的接点如果所处位置温度略有不同，就会.带来额外的热电势。AD7714Y在使用输人缓冲器的前提下,标称输人漏电流为1nA,这个电流是不确定的,它也将在电阻上产生微小的额外压降。因此,理论上的实际VAC和VAB可以用式(4)、(5)来表示:
 
　　式中:VACt为A/D转换器实际在A.C两端获得的采样值,EAC为A、C两个端点环路中产生的热电势总和,(RT+2RL)·1B为A/D输人漏电流引人的附加电势,VAc为消除了所有附加误差后的真实理论值。由式(4)可见,只要分两次分别测量出VACt与EAC+(RT+2Rl)·lB就可以获得计算所需的VAc理论值了。参见图1,具体的两次测量由控制器使用OPA334来完成，0PA334是TI公司的一款单电源低功耗运算放大器,同时具有掉电功能。0PA334带有-个ENABLE控制端，当它为高电平时,放大器正常工作，当它为低电平时,放大器掉电进人低功耗状态,同时它的输出变为高阻抗状态。就是利用它的这个功能来实现两次检测的。实现令ENABLE=1,A/D采集到VACt再令ENABLE=0,此时放大器关闭,加在分压环路中的VR=0,此时采集A、C两端信号，即可以获得EAC+(RT+2RL)·lB。0PA334通过D2后构成跟随器的目的是当它关闭后,尽管输出高阻状态下有漏电流,但由于R2的作用,放大器输出仍接近于零,D2处于约200mV微弱反偏置状态,漏电流为pA级,可以忽略不计。同样,对于VAB的理论值也可以同样处理后获得,通过4次测量，就可以获得VAB与VAc的理论值,完成了对接触热电势影响及放大器输人漏电流误差因素的.修正。
4电路基准参数R与VR的误差修正数字校准方法
　　对于第2节中的温度检测方案设计,求解测量温度的过程中是把R和VR都作为已知参数来处理的,但实际上它们的标称值是有初始误差的,解决的办法就是对它们进行校准。具体方法是使用2个不同电阻值的模拟电阻来进行2次测量，然后求解出R和VR,模拟电阻使用精度高电阻箱ZX78给出。例如,对于Pt100电阻体的量程范围，第1次接人Rn=100Ω,第2次接人RT2=200Ω,会得到两组共4个等式(6)~(9),其中仅有RL、R和VR三个未知数,使用其中3个等式求解即可获得校准后的R和VR具体为式(10)~(12),其中R是-一个中间变量。
 
　　把获得的校准值存人控制系统中的非易失存储器中就可以作为正式测量R,时的已知参数使用,至此，完成了测量通道的数字校准工作。通过第1节和第2节的误差修正与基准校准后,就可以使用式(3)最终求解出真实的热电阻阻值RT,从而计算出实际测量的温度值。
5具体电路设计与参数选择要点
　　2~4节从理论上对三线制铂电阻的精度高检测进行了分析,把理论落实到真正的电路上仍要考虑很多具体细节问题。
　　首先是基准VR与R的选取问题,它们必须保证足够的稳定性。选择了1.25V输出的MAX6161作为VR的基准源,它的典型温度系数为5x10^-6/℃,同时它的基准供应对象都是高阻抗端,没有负载电流波动因素,能够保证足够的稳定度。基准电阻R则选择了稳定度优于5x10^-6/℃的电阻,正常使用功率是1/4W,在小功率使用时无自热问题,能够保证稳定性。
　　对于热电阻检测,必须考虑它本身自热误差问题，即必须限制它本身的驱动电流。常用的Pt100热电阻驱动电流为1mA左右,0℃时空气中的自热系数为5mW/℃左右。检测电路以Pt100热电阻检测对象,R取3kΩ,AD7714Y内置PGA设定为8倍。0℃时工作驱动电流约0.4mA,自热功率约为0.016mW,但由于采样过程中只有一-半时间热电阻处于驱动状态,实际自热功率只有约0.008mW,热电阻因驱动电流产生的自热仅带来约0.002℃的误差,可以忽略不计。
　　具体设计中对系统电源作了精心处理,主电源采用SP1117-3从5V系统中获得了高稳定的系统公用3V电源，同时对于模拟部分的放大器及A/D模拟电源均将主电源经LC滤波后提供。电路板的设计首先遵循AD7714Y手册的基本要求敷设必要的模拟地平面扩散区,同时保证所有模拟信号地采用星形接地连接。
6测试
　　为图1电路配置了一片P89LPC932单片机和---块3V电源串行驱动的128x32点阵LCD模块,用单片机P2口定义了4个按键,编制了简单的软件对电路进行了测试。使用电阻箱模拟热电阻,连接成标准3线制方式，导线使用2m长的3根1.5mm²的多股铜绞合线模拟，导线与线路板直接焊接。测试前对电路的VR与R两个基准参数进行了校准，然后进行正式检测。
　　首先进行分辨率测试。使用最小分辨率为0.001Ω，的SB2015-4型电阻箱模拟热电阻,基准电阻设置为100Ω。改变最小步进档进行分辨率检测,每拨动一档,显示值波动0.001~0.002Ω,说明分辨率达到了0.001Ω。
　　第二步进行精度测试。热电阻使用精度为0.005%的精度高电阻箱ZX78模拟，为避免因采用分度标准不同而造成结果温度差异,测试仅对绝对电阻值进行了检测,软件中对采样结果进行了简单的滑动平均滤波处理。具体在0~400C范围内对应的阻值区间检测了4点,结果见表1。
 
　　由表1可以对误差进行简单分析。检测最大绝对误差0.006Ω,最小绝对误差0.001Ω。在100Ω与200Ω两个校准点上误差最小，其他两点误差稍大。分析一下电阻箱使用的档位情况，整个过程仅使用了100Ω与200Ω两个x100档和一个50Ω的x10档,再分析150Ω与250Ω两个检测结果,能够明显发现最大误差是50Ω档位带来的，因为这个档位不是校准点，精度仅由电阻箱的基本精度来保证。以最大绝对误差0.006Ω计算,对应ITS-90标准分度表,以0℃时3850x10^-6/℃的灵敏度计算,测试过程中的最大温度检测绝对误差仅约为0.016℃,获得的温度结果精度相当高。
7结论
　　具有较高的精度和较低的功耗,同时电路简洁成本低。可以用于精度高数字温度计、便携式温度计、大量程比智能温度变送器等设计中,同时对于便携式精度高测量类仪器的设计具有一定的借鉴和参考价值。