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浦光热电阻温度测量引线电阻消除方法分析
浏览:65 次 发布日期:2017-10-06

摘 要 :在热电阻测量温度的应用场合中,引线电阻的存在会对温度测量精确度产生影响。首先,详细论述了引线电阻对热电阻温度测量精确度产生影响的原因,并就现在两种主流的消除引线电阻方法从原理、算法、以及优缺点方面进行了分析。

 
       在工业过程控制领域,高精度温度测量是一种很常见的测量参数。工业上常用的温度传感器有热电阻和热电偶,由于热电偶测量的是相对温度,需要冷端补偿,导致测量结果不准,所以热电偶一般适用于测量 500℃以上的较高温度。而热电阻不存在冷端补偿的问题,准确度高,性能稳定,线性度好。常用的热电阻有两线制、三线制和四线制,三线制热电阻由于实现成本较低,接线较方便,是目前应用非常多的一种方法。
 
1 热电阻测温工作原理
       与热电偶的测温原理不同的是,热电阻是基于电阻的热效应进行温度测量的,即电阻体的阻值随温度的变化而变化的特性。因此,只要测量出感温热电阻的阻值变化,就可以测量出温度。
 
       一般的处理方式是温度变送器通过给热电阻施加一已知激励电流测量其两端电压的方法得到电阻值(电压 / 电流),再将电阻值转换成温度值,从而实现温度测量。
 
       目前应用非常广泛的热电阻材料是铂和铜。铂电阻精度高,适用于中性和氧化性介质,稳定性好,具有一定的非线性,温度越高电阻变化率越小;铜电阻在测温范围内电阻值和温度呈线性关系,温度线数大,适用于无腐蚀介质,超过 150℃易被氧化,所以普遍采用铜热电阻来测量 -50℃~ 150℃的温度。国内非常常用的热电阻材料有:R0=10Ω、R0=100Ω 和 R0=1000Ω 等,它们的分度号分别为 Pt10、Pt100、Pt1000 ;铜电阻有:R0=50Ω 和 R0=100Ω两种,它们的分度号为 Cu50 和 Cu100,R0 表示热电阻材料在温度为 0℃时对应的电阻值,其中,Pt100 和 Cu50 的应用非常为广泛。
 
       金属热电阻的电阻值和温度,一般可以用以下的近似关系式表示,即
Rt=R0[1+α(t-t0)](1)
       式(1)中,Rt 为温度 t 时的阻值;R0 为温度 t0(通常t0=0℃)时对应电阻值;α 为热电阻温度系数。
 
2 存在的问题
       根据国标《GB/T 36293-2018 火力发电厂分散控制系统技术条件》中 5.6 条输入输出模件(I/O)中 5.6.1.8 精确度要求:模拟量输入信号(高电平)±0.1% ;模拟量输入信号(低电平)±0.15% ;模拟量输出信号 ±0.25% 可知,对热电阻温度测量的精确度要求为 ±0.15%[1]。
 
       从热电阻的测温原理可知,被测温度的变化是直接通过热电阻阻值的变化来测量的,因此,热电阻体的引出线等各种导线电阻的变化会给温度测量带来影响。
 
       引线的导体电阻计算公式为:R = ρ×L/S,其中,ρ为导体电阻率,L 为导体长度,S 为导体横截面积。铜的电阻率 ρ=0.017Ω·mm2/m,表示截面积 1mm2,长度 1m 的铜丝电阻为 0.017Ω。首先,在实际现场中,在被测热电阻距离测量设备较远的情况下,必须要用较长的引线将被测量传送到测量设备信号输入端,假设引线线径为 0.5mm2,引线长度 500m 左右,这样引线电阻非常高可达十几欧姆;其次,引线电阻的阻值会随着温度的变化而改变,且阻值与温度变化的函数关系是非线性的,很难找到相应的函数关系算法去消除 [2]。
 
       在 通 常 工 业 应 用 场 合 中, 被 测 热 电 阻 阻 值 范 围 为0Ω ~ 1000Ω,当热电阻阻值越小或者引线越长,则引线电阻对热电阻测量精确度影响就越大,这样如果不消除引线电阻对热电阻测量带来的影响,则热电阻温度测量的精确度不能满足国标《GB/T 36293-2018 火力发电厂分散控制系统技术条件》中模拟量输入信号(低电平)精确度±0.15% 的要求 [3]。
 
3 解决方法
       在各大分散控制系统(DCS)设计中,RTD(Resistance Temperature Detector)模件是非常基本的 IO 模件之一,各个厂家针对引线电阻对 RTD 测量精确度带来的影响都有充分地认识,都有特殊的设计来消除此影响。下面就两种主流的实现方案进行详细的分析。
 
方法一
       本方法使用通用的单通道 AD 转换芯片即可消除引线电阻对 RTD 测量精确度的影响,具体实现电路如图 1 所示。
通用单通道AD芯片消除引线电阻实现原理图
       图 1 中,r 为引线线阻,范围在 0Ω ~ 20Ω 范围内,其阻值和 1M 相比,可忽略不计;R 为热电阻阻值,其阻值随着温度变化而变化,范围为 0Ω ~ 1000Ω。根据深度负反馈中运算放大器两个输入端的电流通常可视为零,即“虚断”的特性可知
Ui = (R+2r) ×I ;Ub =r×I  (2)
 
       根据深度负反馈中运算放大器两个输入端之间的电压通常非常接近于零 [3]。即“虚短”的特性可知:Ua = Ub
 
       在电路设计时,选择 Ra= Rc
 
       同理根据“虚断”的特性可知
       (Ui - Ua)/Ra = (Ua – U0)/Rc(3)
       计算可得,运算放大器非常好级输出电压 U0 = - R×I,此时运算放大器输出电压与热电阻阻值为线性关系,并且已与引线线阻 r 无关,即消除了引线电阻对热电阻测量带来的影响。
 
       同 理, 可 计 算 出 运 算 放 大 器 第 二 级 输 出 电 压 U1= R×I×Rf/Rd,U1 接入 AD 转换芯片信号输入管脚。在实际设计中,需要根据 AD 转换芯片的基准电压来选择 Rf 和 Rd的电阻值,保证在热电阻阻值(R)非常大时 U1 的电压范围不超过 AD 转换芯片基准电压。
 
       此方法通用性较强,可配合任意通用单通道 AD 芯片即可实现对 RTD 的精确测量。
 
方法二
 
       随着电子技术的发展,ADI 公司推出了适用于热电偶测量、RTD 测量以及热敏电阻测量的专用芯片。AD7792 为适合高精度测量应用的低功耗、低噪声、完整模拟前端、内置一个低噪声,带有 3 个差分模拟输入的16/24 位 Σ-Δ 型 ADC。本方法将结合专用芯片 AD7792 的具体电路设计来分析如何消除引线电阻对热电阻测量精确度的影响。具体实现电路如图 2 所示。
专用芯片消除引线电阻实现原理图
 
       图 2 中,r 为线阻,范围在 0Ω ~ 20Ω 范围内,R 为热电阻阻值,范围为 0Ω ~ 1000Ω。
       AD 采样非常好通道输入电压:Uai1= (R+r)×I
       AD 采样第二通道输入电压:Uai2= (R+2r) ×I
 
       在软件设计时,需要同时启动 AD 芯片的两个输入通道进行采样并得到采样数据,然后采用如下计算公式:
       2Uai1- Uai2=2(R+r) ×I-(R+2r) ×I = R×I 进行计算,由此公式可知其计算结果与热电阻阻值为线性关系,并与引线电阻 r 无关,此方法同样也消除了引线电阻对热电阻测量精确度的影响。
 
       此方法电路设计简单,但是必须要配合专用芯片才能实现。
 
4 结论
       本文对热电阻测温原理、引线电阻对热电阻测量精确度的影响进行了详细的论述,并就如何消除引线电阻对热电阻测量精确度带来的影响给出了两种解决方案。针对两种方案分别从电路设计、计算方法以及优缺点等方面进行了详细分析。上述两种实现方法在 DCS 系统设计中均已得到广泛的使用,效果显著。


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