多通道热电阻精密测量若干问题

发布时间:2020-10-15     浏览次数:
摘要:在长线传输的热电阻测量过程中,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多通道热电阻本身的误差。提出一种基于四线制电阻信号传输的自校正电阻测量法,解决了长线传输及电路工作环境变化带来的附加误差。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,从而能保证在较恶劣的外界环境下取得较高精度的测量结果。系统中设计的数字滤波功能,能有效地抑制高频干扰和工频干扰。该方法已在中微子探测器稳定性监控中得到了实际应用,效果较好。
       多点温度测量系统能对多点的温度进行实时巡检,各检测单元能独立完成各自功能,同时能够根据主控机的指令对温度进行定时采集。在自行设计的中微子探测器稳定性监控中,要求温度监测点6个,测量范围:0℃~+50℃,分辨力:±0.1℃,准确度:±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℃的准确度,电阻测量的分辨力需小于0.025Ω、准确度小于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带米的附加误差远远超过了给定准确度的要求。同时测量电路工作环境的温度也在发生变化,测量时电路漂移的影响尤为突出。要达到上.述测量指标,必须解决引线长度的离散性及电路漂移带来的误差。本文提出了一种基于四线制电阻信号传输的自校正电阻测量法,能有效地克服引线长度及电路漂移带来的影响,取得了较好的测量效果。系统中设计的数字滤波器,能有效地抑制高频干扰和工频干扰。
1测量误差来源分析
       测量系统中存在着热电阻长线传输的附加误差、漂移、高频干扰和工频干扰等误差来源。
1.1引线
      测量系统中热电阻的传输线每米电阻为0.06Ω,双线电阻为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1C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测量误差来源漂移
       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0.049的压降为0.02mV。
       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△I≈100△I(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叫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。
1.3高频干扰和工频干扰
       长线传输不可避免地会引入高频干扰和工频千扰,测量系统的电源由市电电网供电,工频干扰尤为严重。
2自校正电阻测量电路的设计与实现
2.1四线制接线的自校正电阻测量法原理
        图l所示采用四线制接线的自校正电阻测量电路。R1、R2为精密标准电阻,R;~Rs为6个待测热电阻,恒流源同时向8个串联的电阻供电。热电阻Rr~Rs电流源走两条线,回馈的电压信号走另两条线,因为电压回馈线中无电流(后级的输入阻抗远大于带测电阻),因此电压回馈线引线没有压降,输入的电压信号只在热电阻两端产生电压,消除了引线电阻造成的影响。在电路漂移存在的情况下,利用其变化缓慢的特点,通过对三个电阻的三个测量值的比较,可抵消漂移的影响。

2.2四线制接线的自校正电阻测法的实现
       图1中,恒流源同时向8个串联的电阻供电,电路中8个电阻(R1、R2,R3~Rs)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。假设对应于R1、R2通路输出的A/D结果为Do1、Do2,R3~Rs6个待测热电阻通路输出的A/D结果分别为Do,~Dos,为书写方便,简记为Dw,则有:

       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;Dif、D2f、Dtf分别为经调理电路至A/D转换器中的零点漂移。
       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、R2,R3~Rs)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,Rs~Rn)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=Ki;Dtf=D2/=Dtf;由测得的A/D值D01、D02、Dot可解出:

       显然,R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“")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。
2.3自校正电阻测量i法计算公式
       图1中的R、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。其他模拟电路中均选取常规元器件:8X2模拟开关选用ADG507;AD转换器选用16位带数字滤波功能的AD7715(非线性误差为0.0015%);微控制器(单片机)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(Do-Do),再除以(Do2-Do),公式中后半部按100000处理,这样就保证了计算精度。
2.4A/D转换器与单片机的接口
        AD7715与单片机P89LPC925的接口方式如图2所示。

       P89LPC935具有硬件SPI控制器部件。AD7715支持SPI数据通信方式,因此可以直接和P89LPC93S的SPI控制器连接。AD7715每次数据转换完成后,都会将DRDY信号拉低,告示数据转换完成,等待被读取。DRDY与P89LPC935的P1.2相连,可以通过查询P1.2的状态来判断是否可以读取数据。
2.5数字滤波功能的实现
        AD7715具有数字滤波功能,可以实现低通和陷波滤波功能。AD7715的低通和陷波频率是和转换速率相关联的,如果设定其转换速率为50Hz,低通滤波的高频截止频率为fn=15.72Hz(-3dB),同时对50Hz及其倍频均有陷波功能,陷波深度为180dB以上,这样就对工频干扰信号具有很强的抑制作用。图3为AD7715数字滤波频率响应示意图。

       AD7715还采用了其它滤波措施,如模拟电路中的低通滤波、中位值滤波法等。中位值滤波法的实现方法为:当采集的电阻值个数不够4个时,最终结果为当前值;当采集值超过4个时,以最新的4个值为样本,去掉一个最大值和最小值,中间两个值求平均为最终结果。这种方法有效减少了偶然误差,同时增加了测量值的准确性。.
3数据处理及测量误差分析
3.1热电阻测量误差分析
       根据公式:

3.2两种测量方法的测量误差比较
       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,然后用直接测量法和自校正电阻测量法进行测量比较。先将测量电路部分放在恒温箱内,采用直接测量法,直接读取每--路的A/D转换值。恒温箱温度从25℃~50℃变化,读出其A/D转换值,结果表明,漂移很大,折合电阻值变化最大为0.52.再将测量电路部分放在恒温箱内,恒温箱温度从25℃~50℃变化,采用自校正电阻测量法进行计算,读出的电阻值如表1所示,最大误差小于0.022(表中的数据选取的是6路中误差最大的一路)。

       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结束语
       在我们自行设计的测温系统中,采用四线制连接,测量电路采用基于自校正思想的自校正6路电阻测量电路。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℃、准确度为±0.2℃的设计要求。该测温系统在中微子探测器稳定性监控中得到了实际应用。结果表明,系统工作稳定可靠,完全满足设计要求。
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