新型四線制精密熱電阻溫度測量方法

1、第4期儀農(nóng)技術(shù)與傳感器#新型四線制精密熱電阻溫度測量方法余鋒咼昆周泓浙江大學(xué)光科系杭州市31() 027E商要】本文提出了作者獨(dú)立研制成功的T+反饋虛地型四線制熱電阻測溫 方法，該方法在傳統(tǒng)的四線制測量電路的基礎(chǔ)上提出了 卡 列改進(jìn)的設(shè)計(jì)，具有 結(jié)構(gòu)新穎合理測量精度高，在大的使用環(huán)境溫度范圍內(nèi)自動修正溫漂、自動標(biāo) 定穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，經(jīng)實(shí)測在1() F5°C的溫度使用范圍內(nèi)綜合精度優(yōu)于0. 04%, 曾在國家科技攻關(guān)項(xiàng)目中獲得成功應(yīng)用。文中對電路的原理和實(shí)現(xiàn)做了詳述。 敘詞:熱電阻溫度測量四線制A Novel Method for Using TemperatureMeasuremen

2、t Precision 4- Wire RTDYu Feij Gao Kun Zhou HongDept, of Scientific Instrument ZhejiangU niversity, 310027.Abstract: This paper presents a new 4- wire RT D measurement technology invented by the authors. T he new method, as compared w ith the traditional one, has such features as concise an(I ration

3、al structure high precision, vvide working temperature range with drift calil)ration, and auto system (calibration. M easuretl from rigid experiments, accuracy l)etter than 0. ()4% can l)e obtained with in our available test tern peratue range from 1() to 65 C. T he principle of the circuit and its

4、realizling are(lescril)e(l ill detail in this pa|)er.Key Words： RTD Temper at uro M casurcmcnt Four Wire System 第4期儀農(nóng)技術(shù)與傳感器#第4期儀農(nóng)技術(shù)與傳感器31統(tǒng)的軟件標(biāo)定等技術(shù)，使四線制熱電阻測溫 IAi輸入電阻遠(yuǎn)人于連線電阻,在引線上的吸在畫僅榴峻融瞇耦稱能送酬墻腫mi馳攤惚魁。厭而制聊期線邇阻的詼:唄、引言溫度是匚業(yè)現(xiàn)場用到最多的待測物理 量,熱電阻(RTD)是常用的溫度傳感器，具 有線性度好、性能穩(wěn)定的特點(diǎn)。為減小連線電 阻的影響人們往往采用三線制或四線制的 測量電路。四線

5、制能夠完全消除連線電阻的 影響，測溫范I制大,精度龜穩(wěn)定性好,常用于 較貢更場合溫度的榕密測量。本文提出的反 饋虛地理四線制測M技術(shù)，環(huán)境溫度口動修 正方法和輸出電壓跟蹤電路并結(jié)合單片機(jī)系精度。二、虛地反饋型四線制測量原理1. 硬件原理圖傳統(tǒng)四線制熱電阻測臺電路的原理如圖 la所示,由2只精密儀器放大器IAi和IA烷 成信號變送。恒流源/“流經(jīng)熱電阻后在其兩 端(A、B點(diǎn))產(chǎn)生的壓降反映了溫度的大小, 經(jīng)IAi緩沖后與參考電壓(/, X RiiEh)相減, 由IA2調(diào)整為15V DC單端輸出，其中參考 電阻肌幼用來調(diào)節(jié)輸出的參考零點(diǎn)。由于傳統(tǒng)四線制的不足之處是：(1) 需要用2只儀器放人器才能

6、完成溫度 量的轉(zhuǎn)換；(2) RTD以雙端輸入的形式將待測信號 送入儀器運(yùn)放IAi,這給測量電路的零點(diǎn)和 增益的精確校準(zhǔn)設(shè)計(jì)帶來了困難；(3) 缺乏抗溫度漂移的描施,使得測量電 路在人的匸作環(huán)境溫度范圉內(nèi)很難保證其測 量的精確度。為了克服傳統(tǒng)四線制測量電路的缺點(diǎn)，我 們提出了一種反饋虛地型的新四線制測量電 路。改進(jìn)后的電路如圖山所示,它的原理是將 RT D 端的兩根引線納入運(yùn)算放人器()PA 的反饋冋路，根據(jù)運(yùn)放的定地”原理，使B點(diǎn) 電位與 地”相同,考慮到OIU的輸入阻抗很 高,對引線的吸電流可忽略不計(jì)，所以IA I的輸 入即等于RTD的輸出電壓。從后面的分析中 我們還可以看出，將多路模擬開關(guān)

7、KK，定周 期切換到心和恥的位配還可自動對整個測 量系統(tǒng)的溫度漂移進(jìn)行修正。和傳統(tǒng)電路相比改進(jìn)電路的優(yōu)點(diǎn)是：第4期儀農(nóng)技術(shù)與傳感器#第4期儀農(nóng)技術(shù)與傳感器#圖1四線制熱電阻測量電路的原理圖第4期儀農(nóng)技術(shù)與傳感器33(b)帶溫漂修正的反饋虛3也型四線制測溫電路原理圖肓的粘度H扶剜拠2()d»標(biāo)準(zhǔn)1 :小輸troni戰(zhàn)木液娜翩卅能雯求嚥槪幣曹能化刪#/處(a)傳統(tǒng)四線制測董電路原理圖(1) 采用了 1只普通運(yùn)放代替了昂貴的專 用儀器放大器,不僅大大降低了成本，而且由于 儀器放人器的非線性最終制約了整個測量系統(tǒng) 的精度°,少用1只儀器放人器，就比傳統(tǒng)測量 方法大大減少了信號通道的

8、非線性；(2) 變RTD對儀器放人器的雙端信號輸 入為單端輸入，便于放人器的冬點(diǎn)和增益的精 確調(diào)整；(3) 引入了溫度校準(zhǔn)措施，有效地克服了 電路的溫漂,保證了點(diǎn)人的環(huán)境溫度范圉內(nèi)測 量的精度。在該四線制電路中，運(yùn)放()PA可采用 廉價(jià)的精密運(yùn)放，如()P- 177等;IA可選用 通用儀器放大器，或內(nèi)含電流源的專用儀器 放大器，如XTR101等。XTR101是種高精 度、低漂移的雙線電壓/電流變送器，點(diǎn)它內(nèi) 部集成了兩路互相匹配的精密恒流源 (1mA)、一個精密儀用放大器(IA)、一個電 壓/電流轉(zhuǎn)換器(W/),可以把待測信號以很出，在輸出端串聯(lián)上一個標(biāo)準(zhǔn)的250Q電阻, 或通過精度/V轉(zhuǎn)換器

9、(如RCV420等)，就 可以獲得與單片機(jī)系統(tǒng)兼容的15V DC或 ()5V I)C輸出。我們在實(shí)際設(shè)計(jì)中采用 XT R101作為測量電路的IA;結(jié)合單片機(jī)技 術(shù)還采用了在全使用環(huán)境溫度范圍內(nèi)測量 值進(jìn)行自動修正、自動標(biāo)定量程等辦法來提 高測量精度。2. 在使用環(huán)境溫度范圍內(nèi)對溫度測量值 的自動修正在高精度測量中，壞境溫度變化引起的 系統(tǒng)誤差是不容忽視的，因此必須采取定 措施,減小電路溫漂才能保障測量精度。減 小溫漂，一啖方法是選用高精度、低漂移的元 器件，同時引入復(fù)雜的負(fù)反饋電路以抑制溫 漂；另類方法是對原測量電路略加修改，W 入基準(zhǔn)參考電路，利用CPU的軟件，依據(jù)基 準(zhǔn)點(diǎn)的采樣值對實(shí)際的測

10、量結(jié)果進(jìn)行修正。 相比Z K,軟件校準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)簡單、效果明顯、電路中能充分發(fā)揮CPU的優(yōu)勢，所以在測 量中我們采用了軟件來修正溫漂的影響。圖山所示的增加部分即為溫度自動校的精度。顯然，采用硬件校準(zhǔn)有定困難，較 好的解決辦法是利用軟件來自動標(biāo)定Ts和T Zo第4期儀農(nóng)技術(shù)與傳感器35Ts- Tz(Us- Uz(U- Uz)(1)準(zhǔn)的基準(zhǔn)參考電路：IAI的輸入端加入了兩只 參考電阻Rs和/?/作為校準(zhǔn)的基準(zhǔn)點(diǎn)，對應(yīng) 的標(biāo)準(zhǔn)溫度為Ts和TzoRs和Rz要有較低 的溫漂，最好用精密的猛銅絲繞成（溫漂V1 ppm/°C） o二聯(lián)多路開關(guān)KK受CPU控 制，在正常測量時置于廣位置,RTD的輸出 電

11、壓送入IAi;當(dāng)需要校準(zhǔn)吋，開關(guān)切換到 2#和3”位置上，將參考電阻Rs和Rz的輸出 電壓S和Uz接入IA】。由于RTD的輸出電 壓和待測溫度呈圖2所示的實(shí)線那樣的線 性關(guān)系（RTD的非線性特性不明顯，這里可 以忽略），并由（心，/.、）和（Tz,S）兩點(diǎn)唯一 確定，故待測溫度T為:環(huán)境溫度改變時,特性曲線由漂移成 虛線所示的那樣，和兩基準(zhǔn)點(diǎn)溫度Ts和Tz對應(yīng)的電壓Us和Uz漂移到Us '和Uz ； 此時的特性曲線由（Tx 和（TsUz）兩 點(diǎn)來確定，根據(jù)該曲線和測得的此時KT 1）輸出電壓依然可以計(jì)算出準(zhǔn)確的待測溫 度T,因此克服了溫漂對測址值的影響。顯然 當(dāng)Ts和7/的差別越大，修

12、正的誤差越小， 所以最好選接近測溫量程的卜限和上限的兩 點(diǎn)作為校準(zhǔn)的基準(zhǔn)值2）。3.利用軟件自動標(biāo)定量程從式（1）中我們看到，為了得到確定的輸 出，就必須知道與基準(zhǔn)點(diǎn)輸出和Uz對應(yīng) 的Ts和Tz的大小。因?yàn)镽s和Rz是用猛銅 絲繞成的不同的情況下繞制的阻值難免存在實(shí)際中常用到兩點(diǎn)標(biāo)定，具體做法是 在某一壞境溫度卜；在熱電阻的位置上分別 外接上兩個標(biāo)準(zhǔn)的精密電阻，對應(yīng)的真實(shí)溫 度分別為八和心,（設(shè)八V門，已知存入程 序中），而采樣到的RTD輸出電壓為也和 將這兩組數(shù)據(jù)代入（1）式，得到Tl= Tz+ 奈士Uz） （2）T2= Tz+ T_- z）（3）聯(lián)立方程（2）、（3）,可以計(jì)算出Ts和Tz

13、為Tc八-芳七（八-八）（4）TzTl云工-門）（5）算出Ts和Tz就完成了對量程的標(biāo)定， 以后每次的測量結(jié)果就可以用（1）式進(jìn)行校 準(zhǔn)了。實(shí)際上，采取軟件修正測量結(jié)果和標(biāo)定 量程后，還消除了其它線性的系統(tǒng)誤差，如果 在軟件中加入數(shù)字濾波的方法，還可以人大 減小測量的偶然誤差和提高抗干擾能力，這 也是硬件校準(zhǔn)所達(dá)不到的。和修正溫漂樣， 對量程的標(biāo)定點(diǎn)八和幾最好地選在接近量 程上、卜限的地方，以確保對整個測量范圍標(biāo) 定的準(zhǔn)確性。三、應(yīng)用電路的實(shí)現(xiàn)1.電路組成分析測溫電路的典型接線如圖3所示,核心器 件為XTB 101。兩片M AX309是精密、高性能 的雙4通道多路模擬開關(guān)，相當(dāng)于圖lb中的 開

14、關(guān)KK'oXTRlOl的10和11腳提供了兩 路互相匹配的精密恒流源（1mA）,通過多路 開關(guān)MUX.分別流過熱電阻和零點(diǎn)參考電阻 Rref Ri （Pi+）組成,在它們兩端形成的電壓差被多路開關(guān)MU X2送入XTR101內(nèi) 部IA的電壓輸入端V+ （ 4腳）和廠（3腳），再 遜1則的嬢臧殿轉(zhuǎn)）t迪器臧成郴:wv20mA DC電流輸出，通過終端的1只250Q標(biāo) 準(zhǔn)電阻轉(zhuǎn)換為15V DC輸出。MAX309的 開通與關(guān)斷受單片機(jī)的片選信號M I和M?？?制，可定周期切換到2只基準(zhǔn)參考電阻和 骯上進(jìn)行溫度校正。圖II）中OPA在這里選用了 1片低輸入 火調(diào)電壓（< 10V）、低輸入偏置

15、電流（< lOOpA）的精密運(yùn)放OP- 177。用它的輸出驅(qū) 動 MOSFET 管 IRFF111,將 RT D 和 /?哪的 公共參考電位精確地箝制在起，以減少引 線和分布電阻對測量精度的影響。在測溫過程中，熱電阻阻值的變化，會影 響XTR10I輸出電流入和它的供電電壓V. （Vpi- M）的變化（4m A時最大，20m A時 最小）。以c的變化會引入較人的轉(zhuǎn)換誤差", 這個誤羌是不能通過單片機(jī)系統(tǒng)的軟件標(biāo)定 和數(shù)字信號處理所能消除的，為此，我們設(shè)計(jì) 了 XTR101的供電電壓自動跟蹤電路（圖3中 虛線框所示），旨在確保它的供電電圧不受輸 出電流變化的影響,減小轉(zhuǎn)換誤羌。圖中

16、運(yùn)放 LF356用來跟蹤匕罰的變化，調(diào)整三端穩(wěn)壓 器78L15的公共端電位，使XTR10I的人基 本保持恒定。事實(shí)證明，該電路雖然簡單，但 卻能較人程度地提高測量精度。Z所以選擇 LE356型運(yùn)放作電壓跟蹤器，是因?yàn)樗肑 -FET作輸入級，偏置電流很小（pA級），不 會對信號輸出電流產(chǎn)生分流。第4期儀農(nóng)技術(shù)與傳感器#第4期儀農(nóng)技術(shù)與傳感器#四線制熱電阻測溫電路的典型接線圖圖3第4期儀農(nóng)技術(shù)與傳感器#2.外圍器件的選擇外圍器件中,冬點(diǎn)參考電阻Rref的作用 是在溫度為測量的下限時,XTR101的輸入 （5、6兩腳Z間的電壓）為（）;Ps和川構(gòu)成調(diào)冬 電路,當(dāng)XTR 101的輸入為0時，輸出電

17、流為 4mA;增益跨度電阻Rspan （即圖3中的（R& +屆）宀）的取值是當(dāng)熱電阻滿量程輸入 時對應(yīng)輸岀滿量程電流。設(shè)在測溫范圍內(nèi)熱 電阻對應(yīng)的阻值變化范圍為'Rm則：40Re二 A/o/ZViN- 0. 016Q 1（ 6）A1!1 A/o= 16m A于/?s/<4 v, Pa和川并聯(lián)成個小阻值的可變 電阻,用來對量程進(jìn)行微調(diào)，因?yàn)閺谋?amp;小 得多，所以宀和乩帶來的溫漂不會對整個測 量電路的溫度穩(wěn)定性產(chǎn)生過人影響;Rref（R+ Pi） R'、Rz （R3+ Ps） / Rd、Rs （/? 2）也用相同的方法構(gòu)成。如前所述,繞制這 4個參考電阻的誤差可

18、以用軟件消除。圖中其 它電阻均選用十*金屬膜電阻，電位器選用 小型精密電位器。Q2選用2N2222或D965Z 類的快導(dǎo)熱型三極管。四、電路性能測試實(shí)驗(yàn)結(jié)果和結(jié)論第4期儀農(nóng)技術(shù)與傳感器37精度,所以最好也都用鐳銅絲繞成。如圖3中試，量程選擇-2（）5（X）°C,熱電阻選標(biāo)準(zhǔn)的組成起酬的熱鯨訥睦鴕脫值癥呻山曲程室朋皆g,鼬鹹懈舞杷對竝wv二 1mA X A/?7v>oRret、R spa .V的穩(wěn)定性直接關(guān)系到測量的我們對采用前面所述的虛地反饋型四線 制溫度測量電路進(jìn)行了線性度和溫漂的測 的上、下限標(biāo)定后測試了整機(jī)的線性度。結(jié)果 衣嘰在整個量程范圍中，整機(jī)的線性誤羌 0. 2&#

19、176;C(相當(dāng)于().4%0,含A/D的誤差)；之后 我們在量程中均勻地選擇了 5個點(diǎn)，做了 10 65 °C的溫度漂移測試(限于當(dāng)時的測試條件)， 發(fā)現(xiàn)最大溫漂僅為()2°C(即土 3. 5ppm/ °C,現(xiàn) 場使用情況農(nóng)明該電路可以在- 1865°C的 使用溫度范圉內(nèi)保證良好的精度)，可見電路具 有相出島的線性度和溫度穩(wěn)定性，很適介于對 溫度測量要求精密的場合。該電路曾在國家'八五”科技攻關(guān)課題 '火型旋轉(zhuǎn)機(jī)械熱力參數(shù)智能監(jiān)測系統(tǒng)的研 究與設(shè)計(jì)”中分專題8通道溫度、壓力、功率、 液位監(jiān)測儀”的設(shè)計(jì)中采納，通過了部級鑒 定，并在多臺2

20、(X)M W、3(X)M W的汽輪發(fā)電機(jī) 組的狀態(tài)監(jiān)測中獲得應(yīng)用。兩年來現(xiàn)場運(yùn)行 情況良好,深得用戶好評，0前正在進(jìn)步推 廣中。參考文獻(xiàn)1 Burr- Brown Co. Burr- Brown IC Data Book( Linear Products). 1995.2周航慈.單片機(jī)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)技術(shù).北航出版社，1991.3川址平.儀器非線性門動校準(zhǔn)系統(tǒng).計(jì)最技術(shù)，1995; (2)(收稿日期：1998年1月8日)第4期儀農(nóng)技術(shù)與傳感器#第4期儀農(nóng)技術(shù)與傳感器#(上接第1()頁)傳感器之間的距離為1200mmo用黑色遮光板模 擬被測帶材來遮擋)傲，并將其沿?zé)艄茌S線方向 移動,記錄卜每間隔1mm