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光科系杭州市31() 027E商要】本文提出了作者獨立研制成功的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上提出了 卡 列改進的設計，具有 結構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 定穩(wěn)定性好等特點，經(jīng)實測在1() F5°C的溫度使用范圍內(nèi)綜合精度優(yōu)于0. 04%, 曾在國家科技攻關項目中獲得成功應用。文中對電路的原理和實現(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)技術與傳感器#第4期儀農(nóng)技術與傳感器31統(tǒng)的軟件標定等技術，使四線制熱電阻測溫 IAi輸入電阻遠人于連線電阻,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。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，環(huán)境溫度口動修 正方法和輸出電壓跟蹤電路并結合單片機系精度。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)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調整為15V DC單端輸出，其中參考 電阻肌幼用來調節(jié)輸出的參考零點。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 量的轉換；(2) RTD以雙端輸入的形式將待測信號 送入儀器運放IAi,這給測量電路的零點和 增益的精確校準設計帶來了困難；(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，我 們提出了一種反饋虛地型的新四線制測量電 路。改進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算放人器()PA 的反饋冋路，根據(jù)運放的定地”原理，使B點 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，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

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)的溫度漂移進行修正。和傳統(tǒng)電路相比改進電路的優(yōu)點是：第4期儀農(nóng)技術與傳感器#第4期儀農(nóng)技術與傳感器#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»標準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，便于放人器的冬點和增益的精 確調整；(3) 引入了溫度校準措施，有效地克服了 電路的溫漂,保證了點人的環(huán)境溫度范圉內(nèi)測 量的精度。在該四線制電路中，運放()PA可采用 廉價的精密運放，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/電流轉換器(W/),可以把待測信號以很出，在輸出端串聯(lián)上一個標準的250Q電阻, 或通過精度/V轉換器

9、(如RCV420等)，就 可以獲得與單片機系統(tǒng)兼容的15V DC或 ()5V I)C輸出。我們在實際設計中采用 XT R101作為測量電路的IA;結合單片機技 術還采用了在全使用環(huán)境溫度范圍內(nèi)測量 值進行自動修正、自動標定量程等辦法來提 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，同時引入復雜的負反饋電路以抑制溫 漂；另類方法是對原測量電路略加修改，W 入基準參考電路，利用CPU的軟件，依據(jù)基 準點的采樣值對實際的測

10、量結果進行修正。 相比Z K,軟件校準的結構簡單、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，采用硬件校準有定困難，較 好的解決辦法是利用軟件來自動標定Ts和T Zo第4期儀農(nóng)技術與傳感器35Ts- Tz(Us- Uz(U- Uz)(1)準的基準參考電路：IAI的輸入端加入了兩只 參考電阻Rs和/?/作為校準的基準點，對應 的標準溫度為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;當需要校準吋，開關切換到 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所示的實線那樣的線 性關系（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，和兩基準點溫度Ts和Tz對應的電壓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算出準確的待測溫 度T,因此克服了溫漂對測址值的影響。顯然 當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 點作為校準的基準值2）。3.利用軟件自動標定量程從式（1）中我們看到，為了得到確定的輸 出，就必須知道與基準點輸出和Uz對應 的Ts和Tz的大小。因為Rs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際中常用到兩點標定，具體做法是 在某一壞境溫度卜；在熱電阻的位置上分別 外接上兩個標準的精密電阻，對應的真實溫 度分別為八和心,（設八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定， 以后每次的測量結果就可以用（1）式進行校 準了。實際上，采取軟件修正測量結果和標定 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 也是硬件校準所達不到的。和修正溫漂樣， 對量程的標定點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 定的準確性。三、應用電路的實現(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，相當于圖lb中的 開

14、關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MUX.分別流過熱電阻和零點參考電阻 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）t迪器臧成郴:wv20mA DC電流輸出，通過終端的1只250Q標 準電阻轉換為15V DC輸出。MAX309的 開通與關斷受單片機的片選信號M I和M?？?制，可定周期切換到2只基準參考電阻和 骯上進行溫度校正。圖II）中OPA在這里選用了 1片低輸入 火調電壓（< 10V）、低輸入偏置

15、電流（< lOOpA）的精密運放OP- 177。用它的輸出驅 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?。?。以c的變化會引入較人的轉換誤差", 這個誤羌是不能通過單片機系統(tǒng)的軟件標定 和數(shù)字信號處理所能消除的，為此，我們設計 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,減小轉換誤羌。圖中

16、運放 LF356用來跟蹤匕罰的變化，調整三端穩(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型運放作電壓跟蹤器，是因為它利用J -FET作輸入級，偏置電流很?。╬A級），不 會對信號輸出電流產(chǎn)生分流。第4期儀農(nóng)技術與傳感器#第4期儀農(nóng)技術與傳感器#四線制熱電阻測溫電路的典型接線圖圖3第4期儀農(nóng)技術與傳感器#2.外圍器件的選擇外圍器件中,冬點參考電阻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和川構成調冬 電路,當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）的取值是當熱電阻滿量程輸入 時對應輸岀滿量程電流。設在測溫范圍內(nèi)熱 電阻對應的阻值變化范圍為'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,用來對量程進行微調，因為從比&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 類的快導熱型三極管。四、電路性能測試實驗結果和結論第4期儀農(nóng)技術與傳感器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,熱電阻選標準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 制溫度測量電路進行了線性度和溫漂的測 的上、下限標定后測試了整機的線性度。結果 衣嘰在整個量程范圍中，整機的線性誤羌 0. 2&#

19、176;C(相當于().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，做了 10 65 °C的溫度漂移測試(限于當時的測試條件)， 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”科技攻關課題 '火型旋轉機械熱力參數(shù)智能監(jiān)測系統(tǒng)的研 究與設計”中分專題8通道溫度、壓力、功率、 液位監(jiān)測儀”的設計中采納，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 組的狀態(tài)監(jiān)測中獲得應用。兩年來現(xiàn)場運行 情況良好,深得用戶好評，0前正在進步推 廣中。參考文獻1 Burr- Brown Co. Burr- Brown IC Data Book( Linear Products). 1995.2周航慈.單片機應用程序設計技術.北航出版社，1991.3川址平.儀器非線性門動校準系統(tǒng).計最技術，1995; (2)(收稿日期：1998年1月8日)第4期儀農(nóng)技術與傳感器#第4期儀農(nóng)技術與傳感器#(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，并將其沿燈管軸線方向 移動,記錄卜每間隔1mm