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浦光熱電阻溫度測量引線電阻消除方法分析
瀏覽:141 次 發布日期:2017-10-06

摘 要 :在熱電阻測量溫度的應用場合中,引線電阻的存在會對溫度測量精確度產生影響。首先,詳細論述了引線電阻對熱電阻溫度測量精確度產生影響的原因,并就現在兩種主流的消除引線電阻方法從原理、算法、以及優缺點方面進行了分析。

 
       在工業過程控制領域,高精度溫度測量是一種很常見的測量參數。工業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溫度,需要冷端補償,導致測量結果不準,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償的問題,準確度高,性能穩定,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現成本較低,接線較方便,是目前應用非常多的一種方法。
 
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進行溫度測量的,即電阻體的阻值隨溫度的變化而變化的特性。因此,只要測量出感溫熱電阻的阻值變化,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一已知激勵電流測量其兩端電壓的方法得到電阻值(電壓 / 電流),再將電阻值轉換成溫度值,從而實現溫度測量。
 
       目前應用非常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,穩定性好,具有一定的非線性,溫度越高電阻變化率越??;銅電阻在測溫范圍內電阻值和溫度呈線性關系,溫度線數大,適用于無腐蝕介質,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。國內非常常用的熱電阻材料有:R0=10Ω、R0=100Ω 和 R0=1000Ω 等,它們的分度號分別為 Pt10、Pt100、Pt1000 ;銅電阻有:R0=50Ω 和 R0=100Ω兩種,它們的分度號為 Cu50 和 Cu100,R0 表示熱電阻材料在溫度為 0℃時對應的電阻值,其中,Pt100 和 Cu50 的應用非常為廣泛。
 
       金屬熱電阻的電阻值和溫度,一般可以用以下的近似關系式表示,即
Rt=R0[1+α(t-t0)](1)
       式(1)中,Rt 為溫度 t 時的阻值;R0 為溫度 t0(通常t0=0℃)時對應電阻值;α 為熱電阻溫度系數。
 
2 存在的問題
       根據國標《GB/T 36293-2018 火力發電廠分散控制系統技術條件》中 5.6 條輸入輸出模件(I/O)中 5.6.1.8 精確度要求:模擬量輸入信號(高電平)±0.1% ;模擬量輸入信號(低電平)±0.15% ;模擬量輸出信號 ±0.25% 可知,對熱電阻溫度測量的精確度要求為 ±0.15%[1]。
 
       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線電阻的變化會給溫度測量帶來影響。
 
       引線的導體電阻計算公式為:R = ρ×L/S,其中,ρ為導體電阻率,L 為導體長度,S 為導體橫截面積。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,在實際現場中,在被測熱電阻距離測量設備較遠的情況下,必須要用較長的引線將被測量傳送到測量設備信號輸入端,假設引線線徑為 0.5mm2,引線長度 500m 左右,這樣引線電阻非常高可達十幾歐姆;其次,引線電阻的阻值會隨著溫度的變化而改變,且阻值與溫度變化的函數關系是非線性的,很難找到相應的函數關系算法去消除 [2]。
 
       在 通 常 工 業 應 用 場 合 中, 被 測 熱 電 阻 阻 值 范 圍 為0Ω ~ 1000Ω,當熱電阻阻值越小或者引線越長,則引線電阻對熱電阻測量精確度影響就越大,這樣如果不消除引線電阻對熱電阻測量帶來的影響,則熱電阻溫度測量的精確度不能滿足國標《GB/T 36293-2018 火力發電廠分散控制系統技術條件》中模擬量輸入信號(低電平)精確度±0.15% 的要求 [3]。
 
3 解決方法
       在各大分散控制系統(DCS)設計中,RTD(Resistance Temperature Detector)模件是非?;镜?IO 模件之一,各個廠家針對引線電阻對 RTD 測量精確度帶來的影響都有充分地認識,都有特殊的設計來消除此影響。下面就兩種主流的實現方案進行詳細的分析。
 
方法一
       本方法使用通用的單通道 AD 轉換芯片即可消除引線電阻對 RTD 測量精確度的影響,具體實現電路如圖 1 所示。
通用單通道AD芯片消除引線電阻實現原理圖
       圖 1 中,r 為引線線阻,范圍在 0Ω ~ 20Ω 范圍內,其阻值和 1M 相比,可忽略不計;R 為熱電阻阻值,其阻值隨著溫度變化而變化,范圍為 0Ω ~ 1000Ω。根據深度負反饋中運算放大器兩個輸入端的電流通??梢暈榱?,即“虛斷”的特性可知
Ui = (R+2r) ×I ;Ub =r×I  (2)
 
       根據深度負反饋中運算放大器兩個輸入端之間的電壓通常非常接近于零 [3]。即“虛短”的特性可知:Ua = Ub
 
       在電路設計時,選擇 Ra= Rc
 
       同理根據“虛斷”的特性可知
       (Ui - Ua)/Ra = (Ua – U0)/Rc(3)
       計算可得,運算放大器非常好級輸出電壓 U0 = - R×I,此時運算放大器輸出電壓與熱電阻阻值為線性關系,并且已與引線線阻 r 無關,即消除了引線電阻對熱電阻測量帶來的影響。
 
       同 理, 可 計 算 出 運 算 放 大 器 第 二 級 輸 出 電 壓 U1= R×I×Rf/Rd,U1 接入 AD 轉換芯片信號輸入管腳。在實際設計中,需要根據 AD 轉換芯片的基準電壓來選擇 Rf 和 Rd的電阻值,保證在熱電阻阻值(R)非常大時 U1 的電壓范圍不超過 AD 轉換芯片基準電壓。
 
       此方法通用性較強,可配合任意通用單通道 AD 芯片即可實現對 RTD 的精確測量。
 
方法二
 
       隨著電子技術的發展,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 為適合高精度測量應用的低功耗、低噪聲、完整模擬前端、內置一個低噪聲,帶有 3 個差分模擬輸入的16/24 位 Σ-Δ 型 ADC。本方法將結合專用芯片 AD7792 的具體電路設計來分析如何消除引線電阻對熱電阻測量精確度的影響。具體實現電路如圖 2 所示。
專用芯片消除引線電阻實現原理圖
 
       圖 2 中,r 為線阻,范圍在 0Ω ~ 20Ω 范圍內,R 為熱電阻阻值,范圍為 0Ω ~ 1000Ω。
       AD 采樣非常好通道輸入電壓:Uai1= (R+r)×I
       AD 采樣第二通道輸入電壓:Uai2= (R+2r) ×I
 
       在軟件設計時,需要同時啟動 AD 芯片的兩個輸入通道進行采樣并得到采樣數據,然后采用如下計算公式:
       2Uai1- Uai2=2(R+r) ×I-(R+2r) ×I = R×I 進行計算,由此公式可知其計算結果與熱電阻阻值為線性關系,并與引線電阻 r 無關,此方法同樣也消除了引線電阻對熱電阻測量精確度的影響。
 
       此方法電路設計簡單,但是必須要配合專用芯片才能實現。
 
4 結論
       本文對熱電阻測溫原理、引線電阻對熱電阻測量精確度的影響進行了詳細的論述,并就如何消除引線電阻對熱電阻測量精確度帶來的影響給出了兩種解決方案。針對兩種方案分別從電路設計、計算方法以及優缺點等方面進行了詳細分析。上述兩種實現方法在 DCS 系統設計中均已得到廣泛的使用,效果顯著。


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