文/丁誠 方院生

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關于提高工業(yè)鉑電阻測量精度的研究

文/丁誠 方院生

0　引言

溫度在科研和工業(yè)生產中是非常重要的參數之一，然而，溫度測量作為小信號測量，各種微量因素的影響會導致很大的誤差，如工業(yè)鉑電阻溫度計測量方案的設計、測量電路選擇、硬件自校正、微處理器ADC模塊選擇、微信號預處理、軟件濾波和非線性校正算法等。針對上述影響因素，在日常生產實踐過程中需采取改進措施提高溫度測量的精度。

工業(yè)鉑電阻溫度計其測溫范圍為-200～850℃。由于金屬鉑的復現性好，其制作成的工業(yè)鉑電阻溫度計熱容量小，動態(tài)特性好，電阻信號容易遠傳。不過其也存在一些缺點，如需要外部電源供電，連接導線易受環(huán)境溫度影響而產生測量誤差。

1　測量方案

溫度測量屬于微信號采集的過程，我們從工業(yè)鉑電阻溫度特性、三線制接線方法、轉換開關、電流變換方向以及工作電流大小選擇等方面，多角度對溫度采集系統(tǒng)進行優(yōu)化設計。尤其是針對三線制工業(yè)鉑電阻接線帶來的附加電阻，通過電橋測量方式消除附加電阻的影響。

1.1工業(yè)鉑電阻溫度特性

鉑電阻純度越高，其線性特性和復現性特性越好，因此，我們選用高純度的A級工業(yè)鉑電阻或者更高等級的鉑電阻作為溫度傳感器。鉑電阻是基于金屬導體的電阻值隨溫度的增加而增加這一特性來進行溫度測量的。即在一定的溫度下，先測量出鉑電阻的電阻值R，然后得出等價的溫度t，其電阻值與溫度之間的經驗關系如下：

其中，R0=100Ω（0℃時的電阻值），A=3.90802×10-3，B=-5.802×10-7，C=-4.27350×10-12。做成熱電阻的材料應該選用電阻溫度系數較高的，電阻溫度系數越高，其穩(wěn)定性越好。

1.2三線制接法

工業(yè)鉑電阻PT100的接線方式有二線制、三線制和四線制三種接線方式，工業(yè)應用中一般采用三線制方式較多。工業(yè)鉑電阻三線制接線方法的理解和應用存在誤區(qū)，本文對此進行特別說明。PT100溫度傳感器采用三線式接法可消除引線線路電阻帶來的測量誤差，原理為：PT100引出的三根導線截面積和長度均相同（即r1=r2=r3），測量鉑電阻的電路一般是不平衡電橋，鉑電阻（RPt100）作為電橋的一個橋臂電阻，將一根導線接到電橋的電源端，將另外兩根導線分別接到鉑電阻所在的橋臂及與其相鄰的橋臂上，這樣兩橋路都引入了相同大小的引線電阻，電橋處于當引線電阻的變化時對測量結果沒有任何影響平衡狀態(tài)，如圖1所示。

圖1　三線制測溫電阻接線法

1.3轉換開關設想

任何轉換開關都有接觸電勢的存在，目前要求工業(yè)實踐中熱電阻測溫應采用不超過1uV接觸電勢的轉換開關。若熱電勢值大小為1uV，以0℃時的微分電勢0.38Ω/℃計算，帶來的影響為2.56mK；如果熱轉換的開關電勢較大，則相應的按比例得到其影響量。為了減小熱電勢帶來的影響的目的，我們選用低熱電勢的轉換開關，同時考慮采用電流換向的方式供給電源，其測量原理如圖2所示。假設E1為微小量熱電式，E2為提供電流的電源，令I正為如圖2所示電勢方向。

圖2　熱電勢帶來的影響效果圖

由公式（3）～（5）可以看出，接觸電勢E1被電流換向電路補償，消除了熱電勢的影響。

1.4工作電流大小選擇

按照規(guī)程的要求，電測儀表提供熱電阻測量電流應保證功耗引起的溫升盡可能小，不會對不確定度評定帶來顯著的影響。因為測量電流會帶來工業(yè)鉑電阻的自熱效應，由此引入的電阻差值，經研究分析，工作電流一般選用不超過1mA的工作電流。

2　測溫系統(tǒng)自校正溫度補償設計方案

由于環(huán)境溫度對電阻和運放性能的影響，使得測量系統(tǒng)在環(huán)境溫度變化較大時產生較大的誤差，這就要求在高精度測量中，需要尋找可靠的溫度補償方法。本文提出的方法是通過硬件電路補償溫漂影響的方法，在各種傳感器信號采集中普遍采用，具體方法是在前置放大器電路中加入硬件補償電路，指導思想是通過信號比較法消除集成電路漂移帶來的影響。

圖3　硬件自校正電路

如圖3所示，標準電阻R1、標準電阻R2、工業(yè)鉑電阻 RTP電阻上的電壓分別為 ui1＝ISR1、ui2＝ISR2、ui T＝ISRTP（其中集成電路芯片LM334提供1mA基準電流源IS，在短時間內基本為一固定值）。標準電阻R1和R2的精度是±0.02%、溫度系數是士2ppm。設置信號放大調理電路的電壓放大倍數為Ke，總的零點偏置（含漂移）為Df，Ke、Df雖有漂移但短時間內仍可認為其不變，則3路電壓信號經放大調理電路放大后的輸出分別為：

通過公式（6）、（7）我們可以看到，電阻漂移和運算放大器漂移對測量的影響被消除了，由此帶來的改進對整個電路的漂移都具有動態(tài)實時自校正功能，同時電路設計采用了“三線制”接線法，消除了引線電阻帶來的誤差，由上述兩個方法的結合可以得到更加真實的電阻值。由式（6）可得RT的計算式為：

3　預處理電路設計

3.1微處理器模數轉換單元

本系統(tǒng)微處理器采用F2812，該芯片的單通道轉換的最小的轉換時間是80ns，F2812內部具有設有電壓比較電平，可以確保電源漂移情況下的數據采集的可靠性。ADC模塊輸入電平為3.3V，因此，信號輸入要確保在3.3V范圍內。

3.2預處理單元

熱電阻溫度信號的測量是微小信號測量，是各類測量儀表和測控技術的關鍵技術，直接關系到溫度測量精度。模擬信號的預處理模塊將前端傳感器采集到的電壓信號（由傳感器變換而來），經過低電勢多通道轉換開關將模擬信號傳送至信號放大調理電路，并將處理的信號最終送至微處理器芯片F2812的模數轉換端口，其電路如圖4所示。

圖4　信號放大調理電路

信號調理電路由兩部分組成，即前端帶有放大功能的電壓跟隨處理電路和后半端的電壓放大電路。XA1端的電壓增益幅度由R1、R2的阻抗比值來決定，其公式如（8）式所示。通過兩級信號放大電路，根據測溫范圍和對應電壓大小，來選擇合適的放大率，使得信號放大調理電路輸出電壓最大不超過3V。同時，為了防止外部串入干擾信號，造成信號放大電路超出微處理器滿量程范圍，可以在信號進入微處理器模數轉換端口前添加齊納二極管和電容，確保微處理器的安全。在某系統(tǒng)中證實采用了此電路證實其抗干擾能力較強，可在大溫度變化條件下使用。

通過電橋信號和上述信號調理電路相結合，可以高精度測量工業(yè)鉑電阻阻值大小，并快速轉換為溫度值。

3.3輸出信號的標準化

工業(yè)鉑電阻信號的輸出標準化對于遠距離傳輸非常有利，因此可以將工業(yè)鉑電阻信號標準化。根據工業(yè)鉑應用場合來確定其電阻測溫范圍，工業(yè)上常用的標準輸出電流信號為4～20mA。也可根據需要轉換為0～5V標準電壓或0～3V非標準電壓輸出。

4　數字濾波

高精度溫度測量隊測量設備要求很高，針對現場各類干擾源，盡管采取了各類抗干擾的努力，提高設備性能，然而采集的數據因高頻采樣需要對其進行處理，可使溫度數據更接近真實情況。

在硬件設計上可以通過濾波、增加電源穩(wěn)定性等方式，可以有效地減少系統(tǒng)采集時的數據干擾；另外，通過軟件方式對采樣信號進行濾波處理，也可以有效減小干擾源帶來的影響。模數轉換單元得到的模擬量在受到外界干擾后，經模數轉換后的采集的值偏離了真實值。因此，需要通過多次采樣得到一個A/D轉換的數據序列，通過不同的軟件算法相結合的方式處理后才能得到一個可信度較高的結果，這種方式稱為綜合式數字濾波。數字濾波方式有多種，如中值濾波、算數平均濾波、去極值平均濾波、加權平均濾波、滑動平均濾波。這里采用去極值平均濾波法，其公式如（9）所示。算法原理是：對于TMS320F2812微處理器信號采集方法是采用電壓值采集，連續(xù)采樣n次，將其累加求和，同時找出并剔除其中一定數量（根據采樣頻率與實際需要考慮）的最大值和最小值，再從累加和中減去一定數量的最大值求和值和最小值求和值，按n-k1-k2個采樣值求平均，即有效采樣值。

5　非線性校正算法

6　小結

本文從工程實際出發(fā)，在工業(yè)熱電阻溫度傳感器的硬件電路設計和軟件優(yōu)化方面進行了改進，測量精度可以達到10mK，極大地提高了溫度測量精度。該套測量系統(tǒng)應用于某變電站測溫系統(tǒng)，功能穩(wěn)定，應用效果良好。

作者簡介：丁誠（1986-），男，助理工程師，本科，任職于廣州粵能電力科技開發(fā)有限公司，從事計量檢定工作；方院生（1984-），男，工程師，碩士，任職于廣東電網有限責任公司電力科學研究院，研究方向為檢測技術與自動化裝置。