實用多路鉑電阻測溫儀的設計與實現
發布時間：2017-09-01
引 言
鉑電阻由于其性能穩定、測溫范圍寬、復現性和互換性好，在溫度測量中有著廣泛的應用。在保證測量精度的前提下，要求測溫儀應在一般的工業現場都能正常工作。忽略這一點，不在設計和使用中采取必要的措施，會產生很大的誤差，甚至損壞儀器。下面重點討論分析鉑電阻測溫儀的引線電阻、工頻和浪涌電壓干擾的影響，列出保證其正常工作必要的措施。
1 克服引線電阻的影響
鉑電阻當溫度每升高1℃時，其電阻約增大0.4 Ω，即使2 條引線的鉑電阻每端引線電阻為1 Ω，也會產生5℃的誤差，必須采取措施克服其影響。圖1 所示的3 條引線的鉑電阻電橋是廣泛采用的可減小該誤差的溫度信號提取電路，其中Rt為鉑電阻，r1、r2和r3為3 條引線的電阻，通常r1=r2=r3=r。當r較小(如5Ω)時，合理選擇電橋元件參數(如V+=12V，Ra=Rb=10k，Rc=100Ω為與溫度下限對應的Rt值，量程0～200℃)，滿量程時引線電阻引起的相對誤差不會大于0.2% 。但當現場鉑電阻引線較長或引線線徑較小時，r 值較大(如100 Ω)，引線電阻帶來的相對誤差將明顯加大(接近4%或更大)。增大Ra和Rb的值可削弱引線電阻的影響，但靈敏度也會降低，誤差變化也不明顯。這種電橋結構簡單，裝配調試工作量小，但它只能應用于引線電阻小的場合。如果引線過長，只能通過增大引線直徑的方法，把引線電阻限制在允許的范圍內，這樣必將明顯提高測量系統成本，限制了其應用范圍。由包括多個運算放大器的一些鉑電阻有源電橋溫度信號提取電路可以很好地解決這個問題。如文獻[ 1 ] 介紹的電路就可消除較大引線電阻的影響，其電路見圖2。圖2中Rt為鉑電阻，r1、r2和r3為其引線電阻。鉑電阻當溫度t 在0 ～8 5 0 ℃時的電阻Rt= R0(1+At+Bt2)。當r1=r2=r3=r，R6=R7和R8=R4時，該電路輸出為
V0=IK(Rt-R0)/(1-KRt/RF)
式中，電阻的單位均為Ω，I=Vref/R4(推薦值1mA)，K=Rf/R9=104/[R0/RF(1-Bta2/8)+1000IR0A]，R0為溫度t=0℃時的電阻，A和B為溫度系數，測溫范圍為0～ta(>0℃)，t=0℃時，V0=0。上式表明V0與引線電阻無關，即理論上可以完全消除引線電阻的影響，且V 0 與攝氏溫度t 成線性關系。實測得當r=180 Ω時，有源電橋輸出幾乎不變。該電路結構較復雜，對元件精度要求較高，但能消出大引線電阻影響使其具有實用價值。只要保證r1=r2=r3，較大引線的電阻也不會影響測量結果。
以圖1 和圖2 電路為基礎的多路測溫儀框圖見圖3 和圖4。圖3 是用繼電器轉換的多路測溫儀前向通道框圖，圖4 是用模擬開關轉換的多路測溫儀前向通道框圖。其中的N 和M 分別為圖2 和圖1 中除鉑電阻及其引線以外的部分，J1～Jn為繼電器，控制電路(略)確保同時只能有一個繼電器動作。圖3(a)中每個繼電器有3組動觸點，圖3(b) 中每個繼電器有2組動觸點，AM 為一般放大器，DAM 為差動放大器。圖4 中MS 為模擬開關，圖4(a)中用n×1型模擬開關，圖4(b)中用n ×2 型模擬開關。n 為鉑電阻的個數。繼電器的突出優點是接觸電阻極小，不足之處是機械觸點一般不允許開關頻率過快，且其壽命有限。因此，圖3 電路一般只能用于間隔較長(如1 分鐘或更長)時間讀取一次溫度值的場合。相反模擬開關無機械觸點，動作速度快，壽命長，但其導通電阻是與電源電壓有關的較大值，可達5 0 0 ～1200 Ω,且離散性很大，因此它們只能用來開關到高輸入阻抗電路的電壓信號，不可用來接通或斷開幾百歐姆的鉑電阻。故圖4 電路特別適用于間隔較短(如數秒鐘)時間讀取一次溫度值的場合。不難看出圖4 電路比圖3 電路選配元件的工作量大得多。圖3(a)和圖4(a)適用于引線電阻較大場合的溫度測量，圖3(b)和圖4(b)適用于引線電阻較小的場合溫度的測量。
還要需要說明的是圖2 通常是用于0 ℃以上溫度的測量電路，在0 ℃以下時V0為負值，要采用能對正負電壓均可采樣的A/D 轉換器或加電平移動電路。同時負溫度時因Rt的表達式與上面不同，V0-t不再是線性關系，0℃上下要采用不同的數據處理方法。此外，采用各種有源電橋時，應特別注意其非正常工作狀態，如圖4(a)電路中，通常模擬開關輸入端接正電壓信號，如果當某路鉑電阻的a 和b 、c 中任一線不慎接串位或全斷線時，有源電橋輸出電壓V0接近放大器的負電源，這可能影響后面的模擬開關(如4067)不能正常工作，使A/D轉換器輸出均為零。采用2個4051(VDD=5V，Vss=0V)輸出端并連，將其VEE端接圖2放大器的負電源(V-=-5V)，即可保證在某一路出故障輸出電壓V0小于零伏時，其它路仍可正常工作，溫度下限是負值時，也必須如此。
2 消除工頻干擾和浪涌電壓的影響
消除工頻干擾的影響是在工業現場使用的測溫儀必須解決的另一個重要問題，不采取相應的措施，測溫儀通常難以正常工作，測量結果誤差大，波動明顯。浪涌是存在于供電系統中的一種電壓瞬間過大波動的現象，電壓幅度有時達到正常工作電壓的幾倍到幾百倍，產生浪涌電壓的原因主要有：雷擊、大功率設備的啟停、靜電放電和線路故障等。浪涌電壓與一般的過電壓不同，因為它不僅幅值高，而且發生的時間極為短暫，一般的過電壓保護因其反應速度低而對其無能為力。隨機產生的浪涌電壓的數據又不易對其測量，因而也很難確定合適的過電壓保護元件或裝置的參數。浪涌電壓輕則使儀器短時間內不能正常工作，重則損壞儀器。相應的抗干擾設計如下。
2.1 堵塞干擾的耦合通道
由于建筑物、樹木被雷擊或高壓線接地，因存在大地電阻，地面上2 點間可能有很大的電位差，如果儀器的供電線路或信號線兩端與這2 點間有通路(絕緣不良或有接地系統)，供電線路或信號線內就會產生很大的浪涌電流，干擾或損壞儀器。雷擊放電、在大功率設備供電線附近，特別是當流過導線的電流瞬間變化很大時，都會產生很強的電場或磁場，交變的電場會通過導體間的分布電容在測溫儀的供電線路或信號線產生干擾信號。交變的磁場會通過導體間的互感在測溫儀的供電線路或信號線上產生感應電壓。交流供電線路是一個能拾取多種電磁干擾的網絡，干擾信號能以路的方式直接進入測溫儀。以上干擾信號分別通過共阻耦合、電場耦合、電磁耦合和傳導耦合進入測溫儀的供電線路和鉑電阻引線上影響其正常工作。
只要優選導線和配件，按規程布線，截斷地電位差的電流通路，即確保測溫儀的供電線路或信號線以及相關的端子板插座等對地有很大的絕緣電阻，就可有效地克服共阻耦合的影響。削弱電場耦合和電磁耦合的最有效的方法是測溫儀的供電線路和信號線盡可能遠離干擾源線路和減少它們平行設置的區段，以減小電路間的分布電容和互感。如可能測溫儀不用動力電源而用較“清潔”的照明電源供電效果會好些;與測溫儀有關的線路與高壓大電流導線應分開或相互垂直布設等。采用隔離變壓器、安裝交流電源濾波器和交流穩壓器、加壓敏電阻和瞬變抑制二極管等均可減小傳導耦合的影響，可針對具體情況選取相應措施。
2.2 提高測溫儀的抗干擾能力
針對不同的干擾信號應采取相應的措施，降低或消除其影響。對普遍存在的工頻干擾可采取優先采用軟件的和硬件相結合的方法，實踐證明在一個或幾個工頻周期內，取等時間間隔多次采樣結果的平均值，這種軟件方法最方便實用。另外，還可以采用雙積分式A/D 轉換器，或轉換過程為積分過程的V/F 轉換電路(如LM331)讀取數據，這些方法只要設計合理均可有效的抑制工頻干擾。
在一些現場鉑電阻引線過長，一方面引線電阻大，另一方面也極易引入干擾信號，采用屏蔽電纜或將引線置于鐵管內再合理的接地可大大減小外界干擾信號的影響。如果鉑電阻引線直接接到運算放大器輸入端，建議采用盡可能取較高值的正負電源供電，因為一般正負電源的幅值越大，允許輸入信號的極限值也越大，可在有較大幅值的干擾信號時確保運算放大器不損壞。又因C M O S 集成電路當超過電源電壓的信號疊加到輸入端后，即使這一疊加電壓消失，只要沒有切斷電源，一個大電流將持續地在電路中流動，最終導致器件損壞，故與鉑電阻直接相聯的前置放大器不宜用CMOS 型而應采用雙極型運算放大器。另外，由于市場出售的開關電源所用元件參數安全系數不高，較高浪涌電壓極易燒毀一些器件，不能正常供電，且開關電源本身就是一個干擾源，慎用開關電源。采用串連穩壓電既“純潔”又相對能承受較大的浪涌沖擊，可靠性明顯高于一般的開關電源。
3 結束語
對于在一般工業現場使用的測溫儀，上述2 個問題是必須要解決的，提出的措施簡便易行，非常有效，已裝配的測溫儀現場運行正常，性能穩定。需要注意的是，不同場合現場環境和條件千差萬別，特定的測量現場還可能存在其它干擾源，應有針對性的采取適當的措施，措施過多，成本高，占空間大，工作量大;忽略了某些干擾源或對其強度估計偏小，測量數據的可信度降低。
摘自：中國計量測控網
