金沙,金沙官网

欢迎来到重庆金沙计量检测校准实验室
服务热线:023-60314379

资讯资讯

News information

金沙官网

联系人:曾先生

手机:133-6829-2238

座机:023-60314379

QQ/微信:2851812315

邮箱:2851812315@qq.com

重庆实验室:重庆北碚区水土镇万宝大道184号

东莞实验室:东莞市道蓉镇厚德上梁川工业区

江苏实验室:昆山市经济技术开发区昆嘉路379号

高精度三线制热电阻检测方法研究

编辑:金沙官网        发布日期:2018-06-10        点击量:668

温度参数是目前工业生产中最常用的生产过程参数之一,对温度的测量虽然有许多不同的方法,但热电阻凭借其优良的特性成为目前工业上温度测量中应用最广泛的传感元件之一。随着精细化工、微电子、生物工程等技术的发展,对温度的高精度检测要求也越来越高,许多实验室与工业生产环节中,经常要求温度的测量精度为0.1%以上,有些要求绝对偏差小于0.1℃。在各种检验设备中,如检验用恒温槽要求设备能够提供分辨率达到0.01℃等级的高精度温度指示,这就要求要作到对温度的高精度测量。又如,在配置热电阻传感器的智能型二线制一体化温度变送器中,也要求对温度有高精度地测量,这样才能够保证变送器在全量程范围内的高精度。本文提出的三线制热电阻测温方法对于Pt100热电阻,检测分辨率达到0.001Ω,在0~400℃范围内,热电阻测量的绝对偏差小于0.01Ω。具有精度高、量程宽、成本低及低功耗等特点,能够一般应用于各类高精度测温仪表。

 

高精度三线制热电阻检测方法研究

传感器检测电路设计及三线制热电阻温度检测基本原理

热电阻温度传感器被一般应用在工业测温场合,尤其是铂电阻具有高稳定性和良好的复现性,也被用来作为温度基准仪器设备。本文所涉及的设计都是以Pt100传感器为例的,检测电路采用3 V电源供电,整个检测电路工作电流约1.6 mA。全部器件均选用工业级温度产品,主要围绕高测量精度目标进行设计,同时兼顾低功耗性能。

图1是信号输入部分电路原理图,采用典型的三线制工业应用方式方法检测热电阻信号,并同时剔除导线影响。电路未采用常用的恒流驱动,而是具体采用了恒压法,电阻分压的方式采样。电路极其简洁,仅使用一片精密运算放大器OPA334与一片A/D转换器AD7714Y就完成了热电阻信号三线制方式的输入检测。通过两次采样和App处理后,能够完全剔除导线影响,并能够获得高精度的热电阻阻值。AD7714Y为24位的Σ-Δ型A/D转换器,具有带缓冲的两路差分输入和可编程前置放大器,线性度为0.001 5%,具有自动校准功能,能够适应大的信号动态范围,因此能够充分保证传感器的全量程精度。同时它运行功耗小于600μA,掉电时功耗小于10μA,非常适合用来设计低功耗高精度的检测电路。

如图1所示,电阻RT接成了三线制,RL为三根导线电阻,随应用场合不同,RL阻值不定,一般每根导线电阻在5Ω之内。电阻与测量电路以

A、B、C三点连接,实际上是与电阻R构成了对电压VR的分压电路。这里R=3 kΩ,基准电压VR由MAX6161提供,具体为

1.25 V,它通过OPA334缓冲后加在分压电路上。OPA334是失调漂移小于0.05μV/℃的精密放大器,同时具有掉电功能,这里使用它做缓冲的目的是进行接触热电势影响及放大器输入漏电流等偏差补偿,具体在第3节先容。由于采用单电源,为保证信号在AD7714Y的差动输入范围内,基准电压的负端VR-不是直接接地的,而是通过一只肖特基二极管IN5818接地,人为提供了约200mV对地偏置电压。

具体的导线电阻补偿需要采用2次采样后运算处理。当在VR和R是已知的前提下,通过检测VAB和VAC,就能够通过计算的方法得到RT,从而求的实际温度。VAB和VAC的检测由AD7714Y完成,它设置为双极性输入和3个准差分输入方式。通道1检测VAC,通道2检测VAB,前置PGA的放大倍数由具体热电阻型号及测温范围决定。参见图1,可以获得关于VAB和VAC的关系式

(2),它们实际上是以RT和RL为未知数的二元一次方程,通过求解,可以获得RT,即关系式

(3)。在此,RL则可以看作过程中的无关变量,对RT没有任何影响,被彻底剔除。

获得RT后,采用国际温标ITS-90中给出的RT(t)多项式函数公式RT=R0(1+At+Bt2+Ct3),通过迭代试差法即可精确求解出实际的温度值。具体结果精度可以通过设置结果偏差人为控制,理论上,迭代获得的对应温度值能够做到与函数曲线基本完全拟合。

 

接触热电势影响及放大器输入漏电流等偏差因素补偿方法

在第2节对三线制检测原理的描述中,式(2)都是在理想状态下的方程。实际上,测量信号中还包含有接触热电势影响及放大器输入漏电流等影响因素。以传感器直接与仪表连接的现场温度仪表为背景,以VAC的检测为例进行分析,它主要包含了热电阻与2条导线在恒压环节中的分压。同时,两条导线与电阻存在两个不同金属材料品质的接点,引线一般为银线,这两个接点为铂-银接点;两条导线又引出后连接在接线端子上,接线端子一般为铜质合金,又增加两个银-铜合金接点;端子将信号引入放大器至少又要增加一对铜合金-铜接点。这些成对的接点如果所处位置温度略有不同,就会带来额外的热电势。AD7714Y在使用输入缓冲器的前提下,标称输入漏电流为1 nA,这个电流是不确定的,它也将在电阻上产生微小的额外压降。因此,理论上的实际VAC和VAB可以用式A、C两端获得的采样值,EAC为A、C两个端点环路中产生的热电势总和,(RT+2RL)·IB为A/D输入漏电流引入的附加电势,VAC为消除了所有附加偏差后的真实理论值。一般计量管理说的计量器具包含检测设备,但是严格说起来,检测设备不一定是计量器具,真正意义的计量器具是可以溯源的,纳入计量管理的才叫计量器具。由式(4)可见,只要分两次分别测量出VACt与EAC+(RT+2RL)·IB就可以获得计算所需的VAC理论值了。校准证书是按照要求根据校准规程出的,相对而言比检定项目可能要少些,要求没有检定高,只出数据,可以不判定是否合格。具体的两次测量由控制器使用OPA334来完成,OPA334是TI的一款单电源低功耗精密运算放大器,同时具有掉电功能。OPA334带有一个ENABLE控制端,当它为高电平时,放大器正常工作,当它为低电平时,放大器掉电进入低功耗状态,同时它的输出变为高阻抗状态。本设计就是利用它的这个功能来实现两次检测的。实现令ENABLE=1,A/D采集到VACt;再令ENABLE=0,此时放大器关闭,加在分压环路中的VR=0,此时采集A、C两端信号,即可以获得EAC+(RT+2RL)·IB。OPA334通过D2后构成跟随器的目的是当它关闭后,尽管输出高阻状态下有漏电流,但由于R2的作用,放大器输出仍接近于零,D2处于约200 mV微弱反偏置状态,漏电流为pA级,可以忽略不计。同样,对于VAB的理论值也可以同样处理后获得,通过4次测量,就可以获得VAB与VAC的理论值,完成了对接触热电势影响及放大器输入漏电流偏差因素的修正.


电路基准参数R与VR的偏差修正数字校准方法

对于第2节中的温度检测方案设计,求解测量温度的过程中是把R和VR都作为已知参数来处理的,但实际上它们的标称值是有初始偏差的,解决的办法就是对它们进行校准。重庆计量校准是指一些电子仪器用来校对和测量的基本功能。具体方法是使用2个不同电阻值的模拟电阻来进行2次测量,然后求解出R和VR,模拟电阻使用高精度电阻箱ZX78给出。例如,对于Pt100电阻体的量程范围,第1次接入RT1=100Ω,第2次接入RT2=200Ω,会得到两组共4个等式

把获得的校准值存入控制系统中的非易失存储器中就可以作为正式测量RT时的已知参数使用,至此,完成了测量通道的数字校准工作[7]。通过第1节和第2节的偏差修正与基准校准后,就可以使用式(3)最终求解出真实的热电阻阻值RT,从而计算出实际测量的温度值。

金沙官网
金沙官网
XML 地图 | Sitemap 地图