新型四线制精密热电阻温度测量方法

1、第4期仪农技术与传感器#新型四线制精密热电阻温度测量方法余锋咼昆周泓浙江大学光科系杭州市31() 027E商要】本文提出了作者独立研制成功的T+反馈虚地型四线制热电阻测温 方法，该方法在传统的四线制测量电路的基础上提出了 卡 列改进的设计，具有 结构新颖合理测量精度高，在大的使用环境温度范围内自动修正温漂、自动标 定稳定性好等特点，经实测在1() F5°C的温度使用范围内综合精度优于0. 04%, 曾在国家科技攻关项目中获得成功应用。文中对电路的原理和实现做了详述。 叙词:热电阻温度测量四线制A Novel Method for Using TemperatureMeasuremen

2、t Precision 4- Wire RTDYu Feij Gao Kun Zhou HongDept, of Scientific Instrument ZhejiangU niversity, 310027.Abstract: This paper presents a new 4- wire RT D measurement technology invented by the authors. T he new method, as compared w ith the traditional one, has such features as concise an(I ration

3、al structure high precision, vvide working temperature range with drift calil)ration, and auto system (calibration. M easuretl from rigid experiments, accuracy l)etter than 0. ()4% can l)e obtained with in our available test tern peratue range from 1() to 65 C. T he principle of the circuit and its

4、realizling are(lescril)e(l ill detail in this pa|)er.Key Words： RTD Temper at uro M casurcmcnt Four Wire System 第4期仪农技术与传感器#第4期仪农技术与传感器31统的软件标定等技术，使四线制热电阻测温 IAi输入电阻远人于连线电阻,在引线上的吸在畫僅榴峻融瞇耦稱能送酬墻肿mi馳摊惚魁。厌而制聊期线邇阻的诙:呗、引言温度是匚业现场用到最多的待测物理 量,热电阻(RTD)是常用的温度传感器，具 有线性度好、性能稳定的特点。为减小连线电 阻的影响人们往往采用三线制或四线制的 测量电路。四线

5、制能够完全消除连线电阻的 影响，测温范I制大,精度龜稳定性好,常用于 较贡更场合温度的榕密测量。本文提出的反 馈虚地理四线制测M技术，环境温度口动修 正方法和输出电压跟踪电路并结合单片机系精度。二、虚地反馈型四线制测量原理1. 硬件原理图传统四线制热电阻测臺电路的原理如图 la所示,由2只精密仪器放大器IAi和IA烷 成信号变送。恒流源/“流经热电阻后在其两 端(A、B点)产生的压降反映了温度的大小, 经IAi缓冲后与参考电压(/, X RiiEh)相减, 由IA2调整为15V DC单端输出，其中参考 电阻肌幼用来调节输出的参考零点。由于传统四线制的不足之处是：(1) 需要用2只仪器放人器才能

6、完成温度 量的转换；(2) RTD以双端输入的形式将待测信号 送入仪器运放IAi,这给测量电路的零点和 增益的精确校准设计带来了困难；(3) 缺乏抗温度漂移的描施,使得测量电 路在人的匸作环境温度范圉内很难保证其测 量的精确度。为了克服传统四线制测量电路的缺点，我 们提出了一种反馈虚地型的新四线制测量电 路。改进后的电路如图山所示,它的原理是将 RT D 端的两根引线纳入运算放人器()PA 的反馈冋路，根据运放的定地”原理，使B点 电位与 地”相同,考虑到OIU的输入阻抗很 高,对引线的吸电流可忽略不计，所以IA I的输 入即等于RTD的输出电压。从后面的分析中 我们还可以看出，将多路模拟开关

7、KK，定周 期切换到心和恥的位配还可自动对整个测 量系统的温度漂移进行修正。和传统电路相比改进电路的优点是：第4期仪农技术与传感器#第4期仪农技术与传感器#图1四线制热电阻测量电路的原理图第4期仪农技术与传感器33(b)带温漂修正的反馈虚3也型四线制测温电路原理图肓的粘度H扶剜拠2()d»标准1 :小输troni战木液娜翩卅能雯求嚥槪幣曹能化刪#/处(a)传统四线制测董电路原理图(1) 采用了 1只普通运放代替了昂贵的专 用仪器放大器,不仅大大降低了成本，而且由于 仪器放人器的非线性最终制约了整个测量系统 的精度°,少用1只仪器放人器，就比传统测量 方法大大减少了信号通道的

8、非线性；(2) 变RTD对仪器放人器的双端信号输 入为单端输入，便于放人器的冬点和增益的精 确调整；(3) 引入了温度校准措施，有效地克服了 电路的温漂,保证了点人的环境温度范圉内测 量的精度。在该四线制电路中，运放()PA可采用 廉价的精密运放，如()P- 177等;IA可选用 通用仪器放大器，或内含电流源的专用仪器 放大器，如XTR101等。XTR101是种高精 度、低漂移的双线电压/电流变送器，点它内 部集成了两路互相匹配的精密恒流源 (1mA)、一个精密仪用放大器(IA)、一个电 压/电流转换器(W/),可以把待测信号以很出，在输出端串联上一个标准的250Q电阻, 或通过精度/V转换器

9、(如RCV420等)，就 可以获得与单片机系统兼容的15V DC或 ()5V I)C输出。我们在实际设计中采用 XT R101作为测量电路的IA;结合单片机技 术还采用了在全使用环境温度范围内测量 值进行自动修正、自动标定量程等办法来提 高测量精度。2. 在使用环境温度范围内对温度测量值 的自动修正在高精度测量中，坏境温度变化引起的 系统误差是不容忽视的，因此必须采取定 措施,减小电路温漂才能保障测量精度。减 小温漂，一啖方法是选用高精度、低漂移的元 器件，同时引入复杂的负反馈电路以抑制温 漂；另类方法是对原测量电路略加修改，W 入基准参考电路，利用CPU的软件，依据基 准点的采样值对实际的测

10、量结果进行修正。 相比Z K,软件校准的结构简单、效果明显、电路中能充分发挥CPU的优势，所以在测 量中我们采用了软件来修正温漂的影响。图山所示的增加部分即为温度自动校的精度。显然，采用硬件校准有定困难，较 好的解决办法是利用软件来自动标定Ts和T Zo第4期仪农技术与传感器35Ts- Tz(Us- Uz(U- Uz)(1)准的基准参考电路：IAI的输入端加入了两只 参考电阻Rs和/?/作为校准的基准点，对应 的标准温度为Ts和TzoRs和Rz要有较低 的温漂，最好用精密的猛铜丝绕成（温漂V1 ppm/°C） o二联多路开关KK受CPU控 制，在正常测量时置于广位置,RTD的输出 电

11、压送入IAi;当需要校准吋，开关切换到 2#和3”位置上，将参考电阻Rs和Rz的输出 电压S和Uz接入IA】。由于RTD的输出电 压和待测温度呈图2所示的实线那样的线 性关系（RTD的非线性特性不明显，这里可 以忽略），并由（心，/.、）和（Tz,S）两点唯一 确定，故待测温度T为:环境温度改变时,特性曲线由漂移成 虚线所示的那样，和两基准点温度Ts和Tz对应的电压Us和Uz漂移到Us '和Uz ； 此时的特性曲线由（Tx 和（TsUz）两 点来确定，根据该曲线和测得的此时KT 1）输出电压依然可以计算出准确的待测温 度T,因此克服了温漂对测址值的影响。显然 当Ts和7/的差别越大，修

12、正的误差越小， 所以最好选接近测温量程的卜限和上限的两 点作为校准的基准值2）。3.利用软件自动标定量程从式（1）中我们看到，为了得到确定的输 出，就必须知道与基准点输出和Uz对应 的Ts和Tz的大小。因为Rs和Rz是用猛铜 丝绕成的不同的情况下绕制的阻值难免存在实际中常用到两点标定，具体做法是 在某一坏境温度卜；在热电阻的位置上分别 外接上两个标准的精密电阻，对应的真实温 度分别为八和心,（设八V门，已知存入程 序中），而采样到的RTD输出电压为也和 将这两组数据代入（1）式，得到Tl= Tz+ 奈士Uz） （2）T2= Tz+ T_- z）（3）联立方程（2）、（3）,可以计算出Ts和Tz

13、为Tc八-芳七（八-八）（4）TzTl云工-门）（5）算出Ts和Tz就完成了对量程的标定， 以后每次的测量结果就可以用（1）式进行校 准了。实际上，采取软件修正测量结果和标定 量程后，还消除了其它线性的系统误差，如果 在软件中加入数字滤波的方法，还可以人大 减小测量的偶然误差和提高抗干扰能力，这 也是硬件校准所达不到的。和修正温漂样， 对量程的标定点八和几最好地选在接近量 程上、卜限的地方，以确保对整个测量范围标 定的准确性。三、应用电路的实现1.电路组成分析测温电路的典型接线如图3所示,核心器 件为XTB 101。两片M AX309是精密、高性能 的双4通道多路模拟开关，相当于图lb中的 开

14、关KK'oXTRlOl的10和11脚提供了两 路互相匹配的精密恒流源（1mA）,通过多路 开关MUX.分别流过热电阻和零点参考电阻 Rref Ri （Pi+）组成,在它们两端形成的电压差被多路开关MU X2送入XTR101内 部IA的电压输入端V+ （ 4脚）和厂（3脚），再 逊1则的嬢臧殿轉）t迪器臧成郴:wv20mA DC电流输出，通过终端的1只250Q标 准电阻转换为15V DC输出。MAX309的 开通与关断受单片机的片选信号M I和M。控 制，可定周期切换到2只基准参考电阻和 肮上进行温度校正。图II）中OPA在这里选用了 1片低输入 火调电压（< 10V）、低输入偏置

15、电流（< lOOpA）的精密运放OP- 177。用它的输出驱 动 MOSFET 管 IRFF111,将 RT D 和 /?哪的 公共参考电位精确地箝制在起，以减少引 线和分布电阻对测量精度的影响。在测温过程中，热电阻阻值的变化，会影 响XTR10I输出电流入和它的供电电压V. （Vpi- M）的变化（4m A时最大，20m A时 最小）。以c的变化会引入较人的转换误差", 这个误羌是不能通过单片机系统的软件标定 和数字信号处理所能消除的，为此，我们设计 了 XTR101的供电电压自动跟踪电路（图3中 虚线框所示），旨在确保它的供电电圧不受输 出电流变化的影响,减小转换误羌。图中

16、运放 LF356用來跟踪匕罰的变化，调整三端稳压 器78L15的公共端电位，使XTR10I的人基 本保持恒定。事实证明，该电路虽然简单，但 却能较人程度地提高测量精度。Z所以选择 LE356型运放作电压跟踪器，是因为它利用J -FET作输入级，偏置电流很小（pA级），不 会对信号输出电流产生分流。第4期仪农技术与传感器#第4期仪农技术与传感器#四线制热电阻测温电路的典型接线图图3第4期仪农技术与传感器#2.外围器件的选择外围器件中,冬点参考电阻Rref的作用 是在温度为测量的下限时,XTR101的输入 （5、6两脚Z间的电压）为（）;Ps和川构成调冬 电路,当XTR 101的输入为0时，输出电

17、流为 4mA;增益跨度电阻Rspan （即图3中的（R& +届）宀）的取值是当热电阻满量程输入 时对应输岀满量程电流。设在测温范围内热 电阻对应的阻值变化范围为'Rm则：40Re二 A/o/ZViN- 0. 016Q 1（ 6）A1!1 A/o= 16m A于/?s/<4 v, Pa和川并联成个小阻值的可变 电阻,用来对量程进行微调，因为从比&小 得多，所以宀和乩带来的温漂不会对整个测 量电路的温度稳定性产生过人影响;Rref（R+ Pi） R'、Rz （R3+ Ps） / Rd、Rs （/? 2）也用相同的方法构成。如前所述,绕制这 4个参考电阻的误差可

18、以用软件消除。图中其 它电阻均选用十*金属膜电阻，电位器选用 小型精密电位器。Q2选用2N2222或D965Z 类的快导热型三极管。四、电路性能测试实验结果和结论第4期仪农技术与传感器37精度,所以最好也都用镭铜丝绕成。如图3中试，量程选择-2（）5（X）°C,热电阻选标准的组成起酬的热鯨訥睦鸵脱值癥呻山曲程室朋皆g,鼬鹹懈舞杷对竝wv二 1mA X A/?7v>oRret、R spa .V的稳定性直接关系到测量的我们对采用前面所述的虚地反馈型四线 制温度测量电路进行了线性度和温漂的测 的上、下限标定后测试了整机的线性度。结果 衣叽在整个量程范围中，整机的线性误羌 0. 2&#

19、176;C(相当于().4%0,含A/D的误差)；之后 我们在量程中均匀地选择了 5个点，做了 10 65 °C的温度漂移测试(限于当时的测试条件)， 发现最大温漂仅为()2°C(即土 3. 5ppm/ °C,现 场使用情况农明该电路可以在- 1865°C的 使用温度范圉内保证良好的精度)，可见电路具 有相出岛的线性度和温度稳定性，很适介于对 温度测量要求精密的场合。该电路曾在国家'八五”科技攻关课题 '火型旋转机械热力参数智能监测系统的研 究与设计”中分专题8通道温度、压力、功率、 液位监测仪”的设计中采纳，通过了部级鉴 定，并在多台2

20、(X)M W、3(X)M W的汽轮发电机 组的状态监测中获得应用。两年來现场运行 情况良好,深得用户好评，0前正在进步推 广中。参考文献1 Burr- Brown Co. Burr- Brown IC Data Book( Linear Products). 1995.2周航慈.单片机应用程序设计技术.北航出版社，1991.3川址平.仪器非线性门动校准系统.计最技术，1995; (2)(收稿日期：1998年1月8日)第4期仪农技术与传感器#第4期仪农技术与传感器#(上接第1()页)传感器之间的距离为1200mmo用黑色遮光板模 拟被测带材來遮挡)傲，并将其沿灯管轴线方向 移动,记录卜每间隔1mm