熱電阻溫度測量引線電阻消除方法

摘要:在熱電阻測量溫度的應(yīng)用場合中，引線電阻的存在會(huì)對(duì)溫度測量精度產(chǎn)生影響,。首先,，詳細(xì)論述了引線電阻對(duì)熱電阻溫度測量精度產(chǎn)生影響的原因，并就現(xiàn)在兩種主流的消除引線電阻方法從原理、算法,、以及優(yōu)缺點(diǎn)方面進(jìn)行了分析,。
       在工業(yè)過程控制領(lǐng)域，精度高溫度測量是一種很常見的測量參數(shù),。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(duì)溫度，需要冷端補(bǔ)償,，導(dǎo)致測量結(jié)果不準(zhǔn),，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(bǔ)償?shù)膯栴},，精度高,，性能穩(wěn)定，線性度好,。常用的熱電阻有兩線制,、三線制和四線制，三線制熱電阻由于實(shí)現(xiàn)成本較低,，接線較方便，是目前應(yīng)用多的一.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(yīng)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?zé)犭娮璧淖柚底兓?，就可以測量出溫度,。
一般的處理方式是溫度變送器通過給熱電阻施加-已知激勵(lì)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(zhuǎn)換成溫度值,，從而實(shí)現(xiàn)溫度測量,。目前應(yīng)用最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(wěn)定性好，具有--定的非線性,，溫度越高電阻變化率越小;銅電阻在測溫范圍內(nèi)電阻值和溫度呈線性關(guān)系,，溫度線數(shù)大，適用于無腐蝕介質(zhì),，超過150℃易被氧化,，所以普遍采用銅熱電阻來測量-50℃~150℃的溫度,。國內(nèi)常用的熱電阻材料有:R0=10Ω、R0=100Ω和R0=1000Ω等,，它們的分度號(hào)分別為P10,、Pu100、P1000;銅電阻有:R0=50Ω和R0=100Ω兩種,，它們的分度號(hào)為Cu50和Cu100,RO表示熱電阻材料在溫度為0℃時(shí)對(duì)應(yīng)的電阻值，其中,，P100和Cu50的應(yīng)用廣泛。
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

      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(duì)應(yīng)電阻值;α為熱電阻溫度系數(shù),。
2存在的問題.
      根據(jù)國標(biāo)《GB/T36293--2018火力發(fā)電廠“分散控制系統(tǒng)技術(shù)條件》中5.6條輸人輸出模件(I/O)中5.6.1.8精度要求:模擬量輸入信號(hào)(高電平)±0.1%;模擬量輸人信號(hào)(低電平)±0.15%;模擬量輸出信號(hào)±0.25%可知,，對(duì)熱電阻溫度測量的精度要求為±0.15%"。
      從熱電阻的測溫原理可知,，被測溫度的變化是直接通過熱電阻阻值的變化來測量的,，因此，熱電阻體的引出線等各種導(dǎo)線電阻的變化會(huì)給溫度測量帶來影響,。
      引線的導(dǎo)體電阻計(jì)算公式為:R=ρ×L/S,其中,，ρ為導(dǎo)體電阻率，L為導(dǎo)體長度,，S為導(dǎo)體橫截面積,。銅的電阻率ρ=0.017Ω:mm²/m,表示截面積1mm²長度1m的銅絲電阻為0.017Ω。首先,，在實(shí)際現(xiàn)場中,，在被測熱電阻距離測量設(shè)備較遠(yuǎn)的情況下，必須要用較長的引線將被測量傳送到測量設(shè)備信號(hào)輸人端,，假設(shè)引線線徑為0.5mm²引線長度500m左右,，這樣引線電阻最高可達(dá)十幾歐姆;其次，引線電阻的阻值會(huì)隨著溫度的變化而改變,，且阻值與溫度變化的函數(shù)關(guān)系是非線性的,，很難找到相應(yīng)的函數(shù)關(guān)系算法去消除。
      在通常工業(yè)應(yīng)用場合中,，被測熱電阻阻值范圍為0Ω~1000Ω,，當(dāng)熱電阻阻值越小或者引線越長，則引線電阻對(duì)熱電阻測量精度影響就越大,，這樣如果不消除引線電阻對(duì)熱電阻測量帶來的影響,，則熱電阻溫度測量的精度不能滿足國標(biāo)《GB/T36293--2018火力發(fā)電廠分散控制系統(tǒng)技術(shù)條件》中模擬量輸入信號(hào)(低電平)精度±0.15%的要求”,。

3解決方法
      在各大分散控制系統(tǒng)(DCS)設(shè)計(jì)中,，RTD(Resistance.TemperatureDetector)模件是基本的I0模件之一-.各個(gè)廠家針對(duì)引線電阻對(duì)RTD測量精度帶來的影響都有充分地認(rèn)識(shí),，都有特殊的設(shè)計(jì)來消除此影響,。下面就兩種主流的實(shí)現(xiàn)方案進(jìn)行詳細(xì)的分析,。
方法一
      本方法使用通用的單通道AD轉(zhuǎn)換芯片即可消除引線電阻對(duì)RTD測量精度的影響,，具體實(shí)現(xiàn)電路如圖1所示,。
      圖1中,，r為引線線阻，范圍在0Ω~20Ω范圍內(nèi),，其阻值和1M相比,，可忽略不計(jì);R為熱電阻阻值，其阻值隨著溫度變化而變化,，范圍為0Ω~1000Ω,。
根據(jù)深度負(fù)反饋中運(yùn)算放大器兩個(gè)輸人端的電流通常可視為零,，即“虛斷”的特性可知

      根據(jù)深度負(fù)反饋中運(yùn)算放大器兩個(gè)輸人端之間的電壓通常非常接近于零”,。即“虛短”的特性可知:Ua=Ub在電路設(shè)計(jì)時(shí),，選擇Ra=Re
       同理根據(jù)“虛斷”的特性可知

       計(jì)算可得,，運(yùn)算放大器第一級(jí)輸出電壓U0=-R×I,此時(shí)運(yùn)算放大器輸出電壓與熱電阻阻值為線性關(guān)系,并且已與引線線阻r無關(guān)，即消除了引線電阻對(duì)熱電阻測量帶來的影響,。
       同理,，可計(jì)算出運(yùn)算放大器第二級(jí)輸出電壓U1=R×I×R/Rd,U1接入AD轉(zhuǎn)換芯片信號(hào)輸入管腳。在實(shí)際設(shè)計(jì)中,，需要根據(jù)AD轉(zhuǎn)換芯片的基準(zhǔn)電壓來選擇Rf和Rd的電阻值,，保證在熱電阻阻值(R)最大時(shí)U1的電壓范圍不超過AD轉(zhuǎn)換芯片基準(zhǔn)電壓。
      此方法通用性較強(qiáng),，可配合任意通用單通道AD芯片即可實(shí)現(xiàn)對(duì)RTD的正確測量,。

方法二.
       隨著電子技術(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用芯片,。
       AD7792為適合精度高測量應(yīng)用的低功耗、低噪聲,、完整模擬前端,、內(nèi)置--個(gè)低噪聲，帶有3個(gè)差分模擬輸人的16/24位?-Δ型ADC,。本方法將結(jié)合專用芯片AD7792的具體電路設(shè)計(jì)來分析如何消除引線電阻對(duì)熱電阻測量精度的影響。具體實(shí)現(xiàn)電路如圖2所示,。
圖2中,，r為線阻，范圍在0Ω~20Ω范圍內(nèi),，R為熱電阻阻值,，范圍為0Ω~1000Ω。
AD采樣第一通道輸人電壓:Uail=(R+r)×I.
AD采樣第二通道輸人電壓:Uai2=(R+2r)×I
       在軟件設(shè)計(jì)時(shí),，需要同時(shí)啟動(dòng)AD芯片的兩個(gè)輸人通道進(jìn)行采樣并得到采樣數(shù)據(jù),，然后采用如下計(jì)算公式:2Uail-Uai2=2(R+r)×I-(R+2r)×1=R×I進(jìn)行計(jì)算，由此公式可知其計(jì)算結(jié)果與熱電阻阻值為線性關(guān)系,，并與引線電阻r無關(guān),，此方法同樣也消除了引線電阻對(duì)熱電阻測量精度的影響。
此方法電路設(shè)計(jì)簡單,，但是必須要配合專用芯片才能實(shí)現(xiàn),。
4結(jié)論
       本文對(duì)熱電阻測溫原理、引線電阻對(duì)熱電阻測量精度的影響進(jìn)行了詳細(xì)的論述,，并就如何消除引線電阻對(duì)熱電阻測量精度帶來的影響給出了兩種解決方案,。針對(duì)兩種方案分別從電路設(shè)計(jì)、計(jì)算方法以及優(yōu)缺點(diǎn)等方面進(jìn)行了詳細(xì)分析,。上述兩種實(shí)現(xiàn)方法在DCS系統(tǒng)設(shè)計(jì)中均已得到廣泛的使用,，效果顯著。