关于提高工业铂电阻测量精度的研究

文/丁诚 方院生



关于提高工业铂电阻测量精度的研究

文/丁诚 方院生

0　引言

温度在科研和工业生产中是非常重要的参数之一，然而，温度测量作为小信号测量，各种微量因素的影响会导致很大的误差，如工业铂电阻温度计测量方案的设计、测量电路选择、硬件自校正、微处理器ADC模块选择、微信号预处理、软件滤波和非线性校正算法等。针对上述影响因素，在日常生产实践过程中需采取改进措施提高温度测量的精度。

工业铂电阻温度计其测温范围为-200～850℃。由于金属铂的复现性好，其制作成的工业铂电阻温度计热容量小，动态特性好，电阻信号容易远传。不过其也存在一些缺点，如需要外部电源供电，连接导线易受环境温度影响而产生测量误差。

1　测量方案

温度测量属于微信号采集的过程，我们从工业铂电阻温度特性、三线制接线方法、转换开关、电流变换方向以及工作电流大小选择等方面，多角度对温度采集系统进行优化设计。尤其是针对三线制工业铂电阻接线带来的附加电阻，通过电桥测量方式消除附加电阻的影响。

1.1工业铂电阻温度特性

铂电阻纯度越高，其线性特性和复现性特性越好，因此，我们选用高纯度的A级工业铂电阻或者更高等级的铂电阻作为温度传感器。铂电阻是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的。即在一定的温度下，先测量出铂电阻的电阻值R，然后得出等价的温度t，其电阻值与温度之间的经验关系如下：

其中，R0=100Ω（0℃时的电阻值），A=3.90802×10-3，B=-5.802×10-7，C=-4.27350×10-12。做成热电阻的材料应该选用电阻温度系数较高的，电阻温度系数越高，其稳定性越好。

1.2三线制接法

工业铂电阻PT100的接线方式有二线制、三线制和四线制三种接线方式，工业应用中一般采用三线制方式较多。工业铂电阻三线制接线方法的理解和应用存在误区，本文对此进行特别说明。PT100温度传感器采用三线式接法可消除引线线路电阻带来的测量误差，原理为：PT100引出的三根导线截面积和长度均相同（即r1=r2=r3），测量铂电阻的电路一般是不平衡电桥，铂电阻（RPt100）作为电桥的一个桥臂电阻，将一根导线接到电桥的电源端，将另外两根导线分别接到铂电阻所在的桥臂及与其相邻的桥臂上，这样两桥路都引入了相同大小的引线电阻，电桥处于当引线电阻的变化时对测量结果没有任何影响平衡状态，如图1所示。

图1　三线制测温电阻接线法

1.3转换开关设想

任何转换开关都有接触电势的存在，目前要求工业实践中热电阻测温应采用不超过1uV接触电势的转换开关。若热电势值大小为1uV，以0℃时的微分电势0.38Ω/℃计算，带来的影响为2.56mK；如果热转换的开关电势较大，则相应的按比例得到其影响量。为了减小热电势带来的影响的目的，我们选用低热电势的转换开关，同时考虑采用电流换向的方式供给电源，其测量原理如图2所示。假设E1为微小量热电式，E2为提供电流的电源，令I正为如图2所示电势方向。

图2　热电势带来的影响效果图

由公式（3）～（5）可以看出，接触电势E1被电流换向电路补偿，消除了热电势的影响。

1.4工作电流大小选择

按照规程的要求，电测仪表提供热电阻测量电流应保证功耗引起的温升尽可能小，不会对不确定度评定带来显著的影响。因为测量电流会带来工业铂电阻的自热效应，由此引入的电阻差值，经研究分析，工作电流一般选用不超过1mA的工作电流。

2　测温系统自校正温度补偿设计方案

由于环境温度对电阻和运放性能的影响，使得测量系统在环境温度变化较大时产生较大的误差，这就要求在高精度测量中，需要寻找可靠的温度补偿方法。本文提出的方法是通过硬件电路补偿温漂影响的方法，在各种传感器信号采集中普遍采用，具体方法是在前置放大器电路中加入硬件补偿电路，指导思想是通过信号比较法消除集成电路漂移带来的影响。

图3　硬件自校正电路

如图3所示，标准电阻R1、标准电阻R2、工业铂电阻 RTP电阻上的电压分别为 ui1＝ISR1、ui2＝ISR2、ui T＝ISRTP（其中集成电路芯片LM334提供1mA基准电流源IS，在短时间内基本为一固定值）。标准电阻R1和R2的精度是±0.02%、温度系数是士2ppm。设置信号放大调理电路的电压放大倍数为Ke，总的零点偏置（含漂移）为Df，Ke、Df虽有漂移但短时间内仍可认为其不变，则3路电压信号经放大调理电路放大后的输出分别为：

通过公式（6）、（7）我们可以看到，电阻漂移和运算放大器漂移对测量的影响被消除了，由此带来的改进对整个电路的漂移都具有动态实时自校正功能，同时电路设计采用了“三线制”接线法，消除了引线电阻带来的误差，由上述两个方法的结合可以得到更加真实的电阻值。由式（6）可得RT的计算式为：

3　预处理电路设计

3.1微处理器模数转换单元

本系统微处理器采用F2812，该芯片的单通道转换的最小的转换时间是80ns，F2812内部具有设有电压比较电平，可以确保电源漂移情况下的数据采集的可靠性。ADC模块输入电平为3.3V，因此，信号输入要确保在3.3V范围内。

3.2预处理单元

热电阻温度信号的测量是微小信号测量，是各类测量仪表和测控技术的关键技术，直接关系到温度测量精度。模拟信号的预处理模块将前端传感器采集到的电压信号（由传感器变换而来），经过低电势多通道转换开关将模拟信号传送至信号放大调理电路，并将处理的信号最终送至微处理器芯片F2812的模数转换端口，其电路如图4所示。

图4　信号放大调理电路

信号调理电路由两部分组成，即前端带有放大功能的电压跟随处理电路和后半端的电压放大电路。XA1端的电压增益幅度由R1、R2的阻抗比值来决定，其公式如（8）式所示。通过两级信号放大电路，根据测温范围和对应电压大小，来选择合适的放大率，使得信号放大调理电路输出电压最大不超过3V。同时，为了防止外部串入干扰信号，造成信号放大电路超出微处理器满量程范围，可以在信号进入微处理器模数转换端口前添加齐纳二极管和电容，确保微处理器的安全。在某系统中证实采用了此电路证实其抗干扰能力较强，可在大温度变化条件下使用。

通过电桥信号和上述信号调理电路相结合，可以高精度测量工业铂电阻阻值大小，并快速转换为温度值。

3.3输出信号的标准化

工业铂电阻信号的输出标准化对于远距离传输非常有利，因此可以将工业铂电阻信号标准化。根据工业铂应用场合来确定其电阻测温范围，工业上常用的标准输出电流信号为4～20mA。也可根据需要转换为0～5V标准电压或0～3V非标准电压输出。

4　数字滤波

高精度温度测量队测量设备要求很高，针对现场各类干扰源，尽管采取了各类抗干扰的努力，提高设备性能，然而采集的数据因高频采样需要对其进行处理，可使温度数据更接近真实情况。

在硬件设计上可以通过滤波、增加电源稳定性等方式，可以有效地减少系统采集时的数据干扰；另外，通过软件方式对采样信号进行滤波处理，也可以有效减小干扰源带来的影响。模数转换单元得到的模拟量在受到外界干扰后，经模数转换后的采集的值偏离了真实值。因此，需要通过多次采样得到一个A/D转换的数据序列，通过不同的软件算法相结合的方式处理后才能得到一个可信度较高的结果，这种方式称为综合式数字滤波。数字滤波方式有多种，如中值滤波、算数平均滤波、去极值平均滤波、加权平均滤波、滑动平均滤波。这里采用去极值平均滤波法，其公式如（9）所示。算法原理是：对于TMS320F2812微处理器信号采集方法是采用电压值采集，连续采样n次，将其累加求和，同时找出并剔除其中一定数量（根据采样频率与实际需要考虑）的最大值和最小值，再从累加和中减去一定数量的最大值求和值和最小值求和值，按n-k1-k2个采样值求平均，即有效采样值。

5　非线性校正算法

6　小结

本文从工程实际出发，在工业热电阻温度传感器的硬件电路设计和软件优化方面进行了改进，测量精度可以达到10mK，极大地提高了温度测量精度。该套测量系统应用于某变电站测温系统，功能稳定，应用效果良好。

作者简介：丁诚（1986-），男，助理工程师，本科，任职于广州粤能电力科技开发有限公司，从事计量检定工作；方院生（1984-），男，工程师，硕士，任职于广东电网有限责任公司电力科学研究院，研究方向为检测技术与自动化装置。