多路温度测量热电阻非线性及引线电阻补偿

摘要:热电阻温度测量中,热电阻的非线性不平衡电桥的非线性及连线电阻都会给测量带来误差,多路测量中模拟多路开关的应用也会给测量造成不良影响,本文通过恒流源及模拟多路开关的合理应用克服了上述误差,在某测量仪表中实现了精度高的16路温度测量。
       温度的精度高测量是工业生产领域的一个重要问题。目前使用比较广泛的温度传感器有4类:热电阻、热电偶热敏电阻及集成温度传感器。
       热电阻温度传感器中的铂热电阻以其精度高性能稳定互换性好耐腐蚀及使用方便等优点,成为工业测控系统中广泛使用的一种比较理想的测温元件。热电阻测温的常规方法是将热电阻接到电桥的一个桥臂上，,通过测量不平衡电桥的输出，再经过放大和A/D转换，送到计算机中进行运算。在这种用法中,铂电阻的非线性和不平衡电桥的非线性,会给最后的测量带来误差。而且,铂电阻作为温度传感器使用时,必须把它放在测温现场,从测温点到测量变换电路之间的布线长度少则几米,多则几十米甚至上百米,这样长的连接导线,即使不计热噪电阻,它自身的导线电阻R也是相当可观的。如50~100m长的连接导线,连线电阻R一般为4~10Ω。而对常用的Pt100铂电阻来说,温度的变化率约为0.391Ω/℃,与该变化率相比,连线电阻对测量精度的影响也很大。当采用模拟开关作多点间的切换测量时,另一个不容忽视的问题是模拟多路开关导通电阻的影响及各导通电阻的不平衡问题。
        本研究针对传统的热电阻构成的多路温度测量中引起误差的主要原因，采用两个匹配性能很好的恒流源并通过模拟多路开关的合理应用消除了上述因素对测量精度的影响,满足了工程中提出的测量误差小于0.5%,各路匹配误差也小于0.5%的要求。
1热电阻测温的误差来源
1.1热电阻的非线性
      在温度大于0℃的条件下,铂电阻的电阻值R:与被测量温度t之间的关系为(1]
Rt=Ro(1+At+Bt²)
       式中,Ro为被测温度为0℃时热电阻的阻值。对BA2分度号而言,A=3..9684×10^-3/℃,B=-5.847×10^-7/℃。由于二次项的存在,随着温度的升高,铂热.电阻的非线性越来越严重。
1.2不平衡电桥的非线性
不平衡电桥测量电路[2]如图1。
在不考虑连线电阻RL的情况下(RL=0),电桥输出

       但当热电阻的阻值变化幅度较大时,R△t与(Ro+Rb)相比不能忽略,它将造成不平衡电桥的非线性。

1.3引线电阻的影响
       一般热电阻的阻值在几十至几百欧范围内变化。热电阻的引线常处于被测温度环境,温度波动较大,其阻值随温度的变化难以估计和修正。为了消除导线电阻的影响,引线常采用三线制,使测量误差得到了一定的补偿,但导线的影响依然存在。如图1采用三线测量时,若考虑到引线电阻RL,则电桥输出.

       对Pt100,Rb=100Ω,假设RL=1Ω,则引起的最大误差为1%,当引线电阻达4~10Ω时,误差可高达10%。而且RL的大小随现场施工条件而变化,测量和补偿都比较困难。
1.4多路温度测量时模拟开关导通电阻的影响
       为节省成本,简化线路,在多路温度测量中,多个热电阻共用一个前端处理线路及A/D,由模拟多路开关分时切换完成多路测量。常见的模拟开关的导通电阻在几百欧左右,且各路导通电阻的不平衡一般在5Ω以上,使多路测量时精度难以保证。.
2实现精度高多路温度测量的方法
       一种实现精度高16路温度测量的原理线路如图2。图中,热电阻连线采用三线制,Rt1.1,Rt2.1,Rt3.1,",Rt16.1分别为16个热电阻的第1个接线端;Rt1.2,Rt2.2,Rt3.2,,Rto.2分别为16个热电阻的第2个接线端;Rt1-3,Rt:.3,Rt3.3,..,Rt16-3分别为16个热电阻的第3个接线端。K,K,K,K为16选一的模拟多路开关。PGA为可编程前端放大器,OUT1,0UT2为匹配性能很好的两个恒流源。CPU.的4个通用I/O口线同时接到4个模拟多路开关的控制端(图中未画出)。测量某一路温度时,同时选中4个模拟开关的相应通路。电流0UT1经K到Rt..1(i=1,2,.,16)、经过一段引线电阻及实际R;后到达Rtr.3,然后通过电阻2kS2到地。OUT2经过K4到Rt.2,经过一段引线电阻到达Rt.3,通过2kS2电阻到地。由于在上述电流回路中，引线电阻引起的电压极性相反,在PGA的输入端建立的电压只和R,的值有关;同时在PGA输入端的漏电流足够小的情况下，模拟多路开关导通电阻的不一致性也不会给测量带来影响。由于PGA的输入电压只和R,值有关,因此t和电压之间的二次函数关系很容易找到,且可通过函数计算或查表求取测量温度。上述方法在某多路温度测量仪表中使用,取得了良好的效果。仪表组装完成后,选择若干个试验点，,得到的理论值和测量值的比较结果见表1。最大相对误差为0.24%。任意抽取两路温度进行对比,用两路温度之间的差描述各通路之间的不一致性,比较结果见表2,最大相对误差为1.0%,满足了实际工程中提出的测量误差及匹配误差小于0.5%的要求。


3结束语
       用热电阻作为温度传感器进行温度测量时,常采用三线制接法的桥式测量电路，热电阻和电桥的非线性及引线电阻都会给测量带来误差,多路测量中使用模拟多路开关时,开关的导通电阻及导通电阻的不一致性也会产生测量误差。为此,采用两个匹配性能很好的恒流源并通过模拟多路开关的合理应用消除了上述各种因素对测量精度的影响,满足了工程应用要求。和监测耐压时间,节省了数据处理时间,极大地提高了效率,得到了满意的结果。