熱電阻溫度測(cè)量引線電阻消除方法分析

吳勝華，田海波，許天驕，馬偉東

（1.國電南京自動(dòng)化股份有限公司，南京 210032；2.南京國電南自維美德自動(dòng)化有限公司，南京 210061）

在工業(yè)過程控制領(lǐng)域，高精度溫度測(cè)量是一種很常見的測(cè)量參數(shù)。工業(yè)上常用的溫度傳感器有熱電阻和熱電偶，由于熱電偶測(cè)量的是相對(duì)溫度，需要冷端補(bǔ)償，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)，所以熱電偶一般適用于測(cè)量500℃以上的較高溫度。而熱電阻不存在冷端補(bǔ)償?shù)膯栴}，準(zhǔn)確度高，性能穩(wěn)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(shí)現(xiàn)成本較低，接線較方便，是目前應(yīng)用最多的一種方法。

1 熱電阻測(cè)溫工作原理

與熱電偶的測(cè)溫原理不同的是，熱電阻是基于電阻的熱效應(yīng)進(jìn)行溫度測(cè)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(cè)量出感溫?zé)犭娮璧淖柚底兓涂梢詼y(cè)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(lì)電流測(cè)量其兩端電壓的方法得到電阻值（電壓/電流），再將電阻值轉(zhuǎn)換成溫度值，從而實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量。

目前應(yīng)用最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(zhì)，穩(wěn)定性好，具有一定的非線性，溫度越高電阻變化率越小；銅電阻在測(cè)溫范圍內(nèi)電阻值和溫度呈線性關(guān)系，溫度線數(shù)大，適用于無腐蝕介質(zhì)，超過150℃易被氧化，所以普遍采用銅熱電阻來測(cè)量-50℃～150℃的溫度。國內(nèi)最常用的熱電阻材料有：R0=10Ω、R0=100Ω和R0=1000Ω等，它們的分度號(hào)分別為Pt10、Pt100、Pt1000；銅電阻有：R0=50Ω和R0=100Ω兩種，它們的分度號(hào)為Cu50和Cu100，R0表示熱電阻材料在溫度為0℃時(shí)對(duì)應(yīng)的電阻值，其中，Pt100和Cu50的應(yīng)用最為廣泛。

金屬熱電阻的電阻值和溫度，一般可以用以下的近似關(guān)系式表示，即

式（1）中，Rt為溫度t時(shí)的阻值；R0為溫度t0（通常t0=0℃）時(shí)對(duì)應(yīng)電阻值；α為熱電阻溫度系數(shù)。

2 存在的問題

根據(jù)國標(biāo)《GB/T 36293-2018 火力發(fā)電廠分散控制系統(tǒng)技術(shù)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(hào)（高電平）±0.1%；模擬量輸入信號(hào)（低電平）±0.15%；模擬量輸出信號(hào)±0.25%可知，對(duì)熱電阻溫度測(cè)量的精確度要求為±0.15%[1]。

從熱電阻的測(cè)溫原理可知，被測(cè)溫度的變化是直接通過熱電阻阻值的變化來測(cè)量的，因此，熱電阻體的引出線等各種導(dǎo)線電阻的變化會(huì)給溫度測(cè)量帶來影響。

引線的導(dǎo)體電阻計(jì)算公式為：R＝ρ×L/S，其中，ρ為導(dǎo)體電阻率，L為導(dǎo)體長(zhǎng)度，S為導(dǎo)體橫截面積。銅的電阻率ρ=0.017Ω·mm2/m，表示截面積1mm2，長(zhǎng)度1m的銅絲電阻為0.017Ω。首先，在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)中，在被測(cè)熱電阻距離測(cè)量設(shè)備較遠(yuǎn)的情況下，必須要用較長(zhǎng)的引線將被測(cè)量傳送到測(cè)量設(shè)備信號(hào)輸入端，假設(shè)引線線徑為0.5mm2，引線長(zhǎng)度500m左右，這樣引線電阻最高可達(dá)十幾歐姆；其次，引線電阻的阻值會(huì)隨著溫度的變化而改變，且阻值與溫度變化的函數(shù)關(guān)系是非線性的，很難找到相應(yīng)的函數(shù)關(guān)系算法去消除[2]。

在通常工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)合中，被測(cè)熱電阻阻值范圍為0Ω～1000Ω，當(dāng)熱電阻阻值越小或者引線越長(zhǎng)，則引線電阻對(duì)熱電阻測(cè)量精確度影響就越大，這樣如果不消除引線電阻對(duì)熱電阻測(cè)量帶來的影響，則熱電阻溫度測(cè)量的精確度不能滿足國標(biāo)《GB/T 36293-2018 火力發(fā)電廠分散控制系統(tǒng)技術(shù)條件》中模擬量輸入信號(hào)（低電平）精確度±0.15%的要求[3]。

圖1 通用單通道AD芯片消除引線電阻實(shí)現(xiàn)原理圖Fig.1 General single-channel AD chip elimination lead resistance implementation schematic

3 解決方法

在各大分散控制系統(tǒng)（DCS）設(shè)計(jì)中，RTD（Resistance Temperature Detector）模件是最基本的IO模件之一，各個(gè)廠家針對(duì)引線電阻對(duì)RTD測(cè)量精確度帶來的影響都有充分地認(rèn)識(shí)，都有特殊的設(shè)計(jì)來消除此影響。下面就兩種主流的實(shí)現(xiàn)方案進(jìn)行詳細(xì)的分析。

方法一

本方法使用通用的單通道AD轉(zhuǎn)換芯片即可消除引線電阻對(duì)RTD測(cè)量精確度的影響，具體實(shí)現(xiàn)電路如圖1所示。

圖1中，r為引線線阻，范圍在0Ω～20Ω范圍內(nèi)，其阻值和1M相比，可忽略不計(jì)；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(jù)深度負(fù)反饋中運(yùn)算放大器兩個(gè)輸入端的電流通常可視為零，即“虛斷”的特性可知

根據(jù)深度負(fù)反饋中運(yùn)算放大器兩個(gè)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(shè)計(jì)時(shí)，選擇Ra= Rc

同理根據(jù)“虛斷”的特性可知

計(jì)算可得，運(yùn)算放大器第一級(jí)輸出電壓U0 = - R×I，此時(shí)運(yùn)算放大器輸出電壓與熱電阻阻值為線性關(guān)系，并且已與引線線阻r無關(guān)，即消除了引線電阻對(duì)熱電阻測(cè)量帶來的影響。

同理，可計(jì)算出運(yùn)算放大器第二級(jí)輸出電壓U1=R×I×Rf/Rd，U1接入AD轉(zhuǎn)換芯片信號(hào)輸入管腳。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，需要根據(jù)AD轉(zhuǎn)換芯片的基準(zhǔn)電壓來選擇Rf和Rd的電阻值，保證在熱電阻阻值（R）最大時(shí)U1的電壓范圍不超過AD轉(zhuǎn)換芯片基準(zhǔn)電壓。

此方法通用性較強(qiáng)，可配合任意通用單通道AD芯片即可實(shí)現(xiàn)對(duì)RTD的精確測(cè)量。

圖2 專用芯片消除引線電阻實(shí)現(xiàn)原理圖Fig.2 Special chip elimination lead resistance implementation schematic

方法二

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，ADI公司推出了適用于熱電偶測(cè)量、RTD測(cè)量以及熱敏電阻測(cè)量的專用芯片。

AD7792為適合高精度測(cè)量應(yīng)用的低功耗、低噪聲、完整模擬前端、內(nèi)置一個(gè)低噪聲，帶有3個(gè)差分模擬輸入的16/24位Σ-Δ型ADC。本方法將結(jié)合專用芯片AD7792的具體電路設(shè)計(jì)來分析如何消除引線電阻對(duì)熱電阻測(cè)量精確度的影響。具體實(shí)現(xiàn)電路如圖2所示。

圖2中，r為線阻，范圍在0Ω～20Ω范圍內(nèi)，R為熱電阻阻值，范圍為0Ω～1000Ω。

AD采樣第一通道輸入電壓：Uai1= (R+r)×I

AD采樣第二通道輸入電壓：Uai2= (R+2r) ×I

在軟件設(shè)計(jì)時(shí)，需要同時(shí)啟動(dòng)AD芯片的兩個(gè)輸入通道進(jìn)行采樣并得到采樣數(shù)據(jù)，然后采用如下計(jì)算公式：2Uai1- Uai2=2(R+r) ×I-(R+2r) ×I = R×I進(jìn)行計(jì)算，由此公式可知其計(jì)算結(jié)果與熱電阻阻值為線性關(guān)系，并與引線電阻r無關(guān)，此方法同樣也消除了引線電阻對(duì)熱電阻測(cè)量精確度的影響。

此方法電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，但是必須要配合專用芯片才能實(shí)現(xiàn)。

4 結(jié)論

本文對(duì)熱電阻測(cè)溫原理、引線電阻對(duì)熱電阻測(cè)量精確度的影響進(jìn)行了詳細(xì)的論述，并就如何消除引線電阻對(duì)熱電阻測(cè)量精確度帶來的影響給出了兩種解決方案。針對(duì)兩種方案分別從電路設(shè)計(jì)、計(jì)算方法以及優(yōu)缺點(diǎn)等方面進(jìn)行了詳細(xì)分析。上述兩種實(shí)現(xiàn)方法在DCS系統(tǒng)設(shè)計(jì)中均已得到廣泛的使用，效果顯著。