高精度三线制热电阻检测方法研究

　　1　引　　言

　　温度参数是目前工业生产中最常用的生产过程参数之一,对温度的测量虽然有许多不同的方法,但热电阻凭借其优良的特性成为目前工业上温度测量中应用最广泛的传感元件之一。随着精细化工、微电子、生物工程等技术的发展,对温度的高精度检测要求也越来越高,许多实验室与工业生产环节中,经常要求温度的测量精度为0.1%以上,有些要求绝对误差小于0.1℃。在各种检验设备中,如检验用恒温槽要求设备能够提供分辨率达到0.01℃等级的高精度温度指示,这就要求要作到对温度的高精度测量。又如,在配置热电阻传感器的智能型二线制一体化温度变送器中,也要求对温度有高精度地测量,这样才能够保证变送器在全量程范围内的高精度。本文提出的三线制热电阻测温方法对于Pt100热电阻,检测分辨率达到0.001Ω,在0~400℃范围内,热电阻测量的绝对误差小于0.01Ω。具有精度高、量程宽、成本低及低功耗等特点,能够广泛应用于各类高精度测温仪表。

　　2　传感器检测电路设计及三线制热电阻温度检测基本原理

　　热电阻温度传感器被广泛应用于工业测温场合,尤其是铂电阻具有高稳定性和良好的复现性,也被用来作为温度基准仪器[1]。本文所涉及的设计都是以Pt100传感器为例的,检测电路采用3 V电源供电,整个检测电路工作电流约1.6 mA。全部器件均选用工业级温度产品,主要围绕高测量精度目标进行设计,同时兼顾低功耗性能[2]。

　　图1是信号输入部分电路原理图,采用典型的三线制工业应用方式检测热电阻信号,并同时剔除导线影响。电路未采用常用的恒流驱动,而是具体采用了恒压法,电阻分压的方式采样。电路极其简洁,仅使用一片精密运算放大器OPA334与一片A/D转换器AD7714Y就完成了热电阻信号三线制方式的输入检测。通过两次采样和软件处理后,能够完全剔除导线影响,并能够获得高精度的热电阻阻值。AD7714Y为24位的Σ-Δ型A/D转换器,具有带缓冲的两路差分输入和可编程前置放大器,线性度为0.001 5%,具有自动校准功能,能够适应大的信号动态范围,因此能够充分保证传感器的全量程精度。同时它运行功耗小于600μA,掉电时功耗小于10μA,非常适合用来设计低功耗高精度的检测电路[3]。

　　如图1所示,电阻RT接成了三线制,RL为三根导线电阻,随应用场合不同,RL阻值不定,一般每根导线电阻在5Ω之内。电阻与测量电路以A、B、C三点连接,实际上是与电阻R构成了对电压VR的分压电路。这里R=3 kΩ,基准电压VR由MAX6161提供,具体为1. 25 V,它通过OPA334缓冲后加在分压电路上。OPA334是失调漂移小于0.05μV/℃的精密放大器,同时具有掉电功能,这里使用它做缓冲的目的是进行接触热电势影响及放大器输入漏电流等误差补偿,具体在第3节介绍。由于采用单电源,为保证信号在AD7714Y的差动输入范围内,基准电压的负端VR-不是直接接地的,而是通过一只肖特基二极管IN5818接地,人为提供了约200mV对地偏置电压。