浦光熱電阻溫度測量引線(xiàn)電阻消除方法分析
瀏覽：177 次 發(fā)布日期：2017-10-06
摘 要 ：在熱電阻測量溫度的應用場(chǎng)合中，引線(xiàn)電阻的存在會(huì )對溫度測量精確度產(chǎn)生影響。首先，詳細論述了引線(xiàn)電阻對熱電阻溫度測量精確度產(chǎn)生影響的原因，并就現在兩種主流的消除引線(xiàn)電阻方法從原理、算法、以及優(yōu)缺點(diǎn)方面進(jìn)行了分析。
在工業(yè)過(guò)程控制領(lǐng)域，高精度溫度測量是一種很常見(jiàn)的測量參數。工業(yè)上常用的溫度傳感器有熱電阻和熱電偶，由于熱電偶測量的是相對溫度，需要冷端補償，導致測量結果不準，所以熱電偶一般適用于測量 500℃以上的較高溫度。而熱電阻不存在冷端補償的問(wèn)題，準確度高，性能穩定，線(xiàn)性度好。常用的熱電阻有兩線(xiàn)制、三線(xiàn)制和四線(xiàn)制，三線(xiàn)制熱電阻由于實(shí)現成本較低，接線(xiàn)較方便，是目前應用非常多的一種方法。
1 熱電阻測溫工作原理
與熱電偶的測溫原理不同的是，熱電阻是基于電阻的熱效應進(jìn)行溫度測量的，即電阻體的阻值隨溫度的變化而變化的特性。因此，只要測量出感溫熱電阻的阻值變化，就可以測量出溫度。
一般的處理方式是溫度變送器通過(guò)給熱電阻施加一已知激勵電流測量其兩端電壓的方法得到電阻值（電壓 / 電流），再將電阻值轉換成溫度值，從而實(shí)現溫度測量。
目前應用非常廣泛的熱電阻材料是鉑和銅。鉑電阻精度高，適用于中性和氧化性介質(zhì)，穩定性好，具有一定的非線(xiàn)性，溫度越高電阻變化率越??；銅電阻在測溫范圍內電阻值和溫度呈線(xiàn)性關(guān)系，溫度線(xiàn)數大，適用于無(wú)腐蝕介質(zhì)，超過(guò) 150℃易被氧化，所以普遍采用銅熱電阻來(lái)測量 -50℃～ 150℃的溫度。國內非常常用的熱電阻材料有：R0=10Ω、R0=100Ω 和 R0=1000Ω 等，它們的分度號分別為 Pt10、Pt100、Pt1000 ；銅電阻有：R0=50Ω 和 R0=100Ω兩種，它們的分度號為 Cu50 和 Cu100，R0 表示熱電阻材料在溫度為 0℃時(shí)對應的電阻值，其中，Pt100 和 Cu50 的應用非常為廣泛。
金屬熱電阻的電阻值和溫度，一般可以用以下的近似關(guān)系式表示，即
Rt=R0［1+α（t-t0）］（1）
式（1）中，Rt 為溫度 t 時(shí)的阻值；R0 為溫度 t0（通常t0=0℃）時(shí)對應電阻值；α 為熱電阻溫度系數。
2 存在的問(wèn)題
根據國標《GB/T 36293-2018 火力發(fā)電廠(chǎng)分散控制系統技術(shù)條件》中 5.6 條輸入輸出模件（I/O）中 5.6.1.8 精確度要求：模擬量輸入信號（高電平）±0.1% ；模擬量輸入信號（低電平）±0.15% ；模擬量輸出信號 ±0.25% 可知，對熱電阻溫度測量的精確度要求為 ±0.15%[1]。
從熱電阻的測溫原理可知，被測溫度的變化是直接通過(guò)熱電阻阻值的變化來(lái)測量的，因此，熱電阻體的引出線(xiàn)等各種導線(xiàn)電阻的變化會(huì )給溫度測量帶來(lái)影響。
引線(xiàn)的導體電阻計算公式為：R ＝ ρ×L/S，其中，ρ為導體電阻率，L 為導體長(cháng)度，S 為導體橫截面積。銅的電阻率 ρ=0.017Ω·mm2/m，表示截面積 1mm2，長(cháng)度 1m 的銅絲電阻為 0.017Ω。首先，在實(shí)際現場(chǎng)中，在被測熱電阻距離測量設備較遠的情況下，必須要用較長(cháng)的引線(xiàn)將被測量傳送到測量設備信號輸入端，假設引線(xiàn)線(xiàn)徑為 0.5mm2，引線(xiàn)長(cháng)度 500m 左右，這樣引線(xiàn)電阻非常高可達十幾歐姆；其次，引線(xiàn)電阻的阻值會(huì )隨著(zhù)溫度的變化而改變，且阻值與溫度變化的函數關(guān)系是非線(xiàn)性的，很難找到相應的函數關(guān)系算法去消除 [2]。
在 通 常 工 業(yè) 應 用 場(chǎng) 合 中， 被 測 熱 電 阻 阻 值 范 圍 為0Ω ～ 1000Ω，當熱電阻阻值越小或者引線(xiàn)越長(cháng)，則引線(xiàn)電阻對熱電阻測量精確度影響就越大，這樣如果不消除引線(xiàn)電阻對熱電阻測量帶來(lái)的影響，則熱電阻溫度測量的精確度不能滿(mǎn)足國標《GB/T 36293-2018 火力發(fā)電廠(chǎng)分散控制系統技術(shù)條件》中模擬量輸入信號（低電平）精確度±0.15% 的要求 [3]。
3 解決方法
在各大分散控制系統（DCS）設計中，RTD（Resistance Temperature Detector）模件是非?；镜?IO 模件之一，各個(gè)廠(chǎng)家針對引線(xiàn)電阻對 RTD 測量精確度帶來(lái)的影響都有充分地認識，都有特殊的設計來(lái)消除此影響。下面就兩種主流的實(shí)現方案進(jìn)行詳細的分析。
方法一
本方法使用通用的單通道 AD 轉換芯片即可消除引線(xiàn)電阻對 RTD 測量精確度的影響，具體實(shí)現電路如圖 1 所示。
圖 1 中，r 為引線(xiàn)線(xiàn)阻，范圍在 0Ω ～ 20Ω 范圍內，其阻值和 1M 相比，可忽略不計；R 為熱電阻阻值，其阻值隨著(zhù)溫度變化而變化，范圍為 0Ω ～ 1000Ω。根據深度負反饋中運算放大器兩個(gè)輸入端的電流通?？梢暈榱?，即“虛斷”的特性可知
Ui = (R+2r) ×I ；Ub =r×I （2）
根據深度負反饋中運算放大器兩個(gè)輸入端之間的電壓通常非常接近于零 [3]。即“虛短”的特性可知：Ua = Ub
在電路設計時(shí)，選擇 Ra= Rc
同理根據“虛斷”的特性可知
（Ui - Ua）/Ra = （Ua – U0）/Rc（3）
計算可得，運算放大器非常好級輸出電壓 U0 = - R×I，此時(shí)運算放大器輸出電壓與熱電阻阻值為線(xiàn)性關(guān)系，并且已與引線(xiàn)線(xiàn)阻 r 無(wú)關(guān)，即消除了引線(xiàn)電阻對熱電阻測量帶來(lái)的影響。
同 理， 可 計 算 出 運 算 放 大 器 第 二 級 輸 出 電 壓 U1= R×I×Rf/Rd，U1 接入 AD 轉換芯片信號輸入管腳。在實(shí)際設計中，需要根據 AD 轉換芯片的基準電壓來(lái)選擇 Rf 和 Rd的電阻值，保證在熱電阻阻值（R）非常大時(shí) U1 的電壓范圍不超過(guò) AD 轉換芯片基準電壓。
此方法通用性較強，可配合任意通用單通道 AD 芯片即可實(shí)現對 RTD 的精確測量。
方法二
隨著(zhù)電子技術(shù)的發(fā)展，ADI 公司推出了適用于熱電偶測量、RTD 測量以及熱敏電阻測量的專(zhuān)用芯片。AD7792 為適合高精度測量應用的低功耗、低噪聲、完整模擬前端、內置一個(gè)低噪聲，帶有 3 個(gè)差分模擬輸入的16/24 位 Σ-Δ 型 ADC。本方法將結合專(zhuān)用芯片 AD7792 的具體電路設計來(lái)分析如何消除引線(xiàn)電阻對熱電阻測量精確度的影響。具體實(shí)現電路如圖 2 所示。
圖 2 中，r 為線(xiàn)阻，范圍在 0Ω ～ 20Ω 范圍內，R 為熱電阻阻值，范圍為 0Ω ～ 1000Ω。
AD 采樣非常好通道輸入電壓：Uai1= (R+r)×I
AD 采樣第二通道輸入電壓：Uai2= (R+2r) ×I
在軟件設計時(shí)，需要同時(shí)啟動(dòng) AD 芯片的兩個(gè)輸入通道進(jìn)行采樣并得到采樣數據，然后采用如下計算公式：
2Uai1- Uai2=2(R+r) ×I-(R+2r) ×I = R×I 進(jìn)行計算，由此公式可知其計算結果與熱電阻阻值為線(xiàn)性關(guān)系，并與引線(xiàn)電阻 r 無(wú)關(guān)，此方法同樣也消除了引線(xiàn)電阻對熱電阻測量精確度的影響。
此方法電路設計簡(jiǎn)單，但是必須要配合專(zhuān)用芯片才能實(shí)現。
4 結論
本文對熱電阻測溫原理、引線(xiàn)電阻對熱電阻測量精確度的影響進(jìn)行了詳細的論述，并就如何消除引線(xiàn)電阻對熱電阻測量精確度帶來(lái)的影響給出了兩種解決方案。針對兩種方案分別從電路設計、計算方法以及優(yōu)缺點(diǎn)等方面進(jìn)行了詳細分析。上述兩種實(shí)現方法在 DCS 系統設計中均已得到廣泛的使用，效果顯著(zhù)。