实用多路铂电阻测温仪的设计与实现
发布时间：2017-09-01
引 言
铂电阻由于其性能稳定、测温范围宽、复现性和互换性好，在温度测量中有着广泛的应用。在保证测量精度的前提下，要求测温仪应在一般的工业现场都能正常工作。忽略这一点，不在设计和使用中采取必要的措施，会产生很大的误差，甚至损坏仪器。下面重点讨论分析铂电阻测温仪的引线电阻、工频和浪涌电压干扰的影响，列出保证其正常工作必要的措施。
1 克服引线电阻的影响
铂电阻当温度每升高1℃时，其电阻约增大0.4 Ω，即使2 条引线的铂电阻每端引线电阻为1 Ω，也会产生5℃的误差，必须采取措施克服其影响。图1 所示的3 条引线的铂电阻电桥是广泛采用的可减小该误差的温度信号提取电路，其中Rt为铂电阻，r1、r2和r3为3 条引线的电阻，通常r1=r2=r3=r。当r较小(如5Ω)时，合理选择电桥元件参数(如V+=12V，Ra=Rb=10k，Rc=100Ω为与温度下限对应的Rt值，量程0～200℃)，满量程时引线电阻引起的相对误差不会大于0.2% 。但当现场铂电阻引线较长或引线线径较小时，r 值较大(如100 Ω)，引线电阻带来的相对误差将明显加大(接近4%或更大)。增大Ra和Rb的值可削弱引线电阻的影响，但灵敏度也会降低，误差变化也不明显。这种电桥结构简单，装配调试工作量小，但它只能应用于引线电阻小的场合。如果引线过长，只能通过增大引线直径的方法，把引线电阻限制在允许的范围内，这样必将明显提高测量系统成本，限制了其应用范围。由包括多个运算放大器的一些铂电阻有源电桥温度信号提取电路可以很好地解决这个问题。如文献[ 1 ] 介绍的电路就可消除较大引线电阻的影响，其电路见图2。图2中Rt为铂电阻，r1、r2和r3为其引线电阻。铂电阻当温度t 在0 ～8 5 0 ℃时的电阻Rt= R0(1+At+Bt2)。当r1=r2=r3=r，R6=R7和R8=R4时，该电路输出为
V0=IK(Rt-R0)/(1-KRt/RF)
式中，电阻的单位均为Ω，I=Vref/R4(推荐值1mA)，K=Rf/R9=104/[R0/RF(1-Bta2/8)+1000IR0A]，R0为温度t=0℃时的电阻，A和B为温度系数，测温范围为0～ta(>0℃)，t=0℃时，V0=0。上式表明V0与引线电阻无关，即理论上可以完全消除引线电阻的影响，且V 0 与摄氏温度t 成线性关系。实测得当r=180 Ω时，有源电桥输出几乎不变。该电路结构较复杂，对元件精度要求较高，但能消出大引线电阻影响使其具有实用价值。只要保证r1=r2=r3，较大引线的电阻也不会影响测量结果。
以图1 和图2 电路为基础的多路测温仪框图见图3 和图4。图3 是用继电器转换的多路测温仪前向通道框图，图4 是用模拟开关转换的多路测温仪前向通道框图。其中的N 和M 分别为图2 和图1 中除铂电阻及其引线以外的部分，J1～Jn为继电器，控制电路(略)确保同时只能有一个继电器动作。图3(a)中每个继电器有3组动触点，图3(b) 中每个继电器有2组动触点，AM 为一般放大器，DAM 为差动放大器。图4 中MS 为模拟开关，图4(a)中用n×1型模拟开关，图4(b)中用n ×2 型模拟开关。n 为铂电阻的个数。继电器的突出优点是接触电阻极小，不足之处是机械触点一般不允许开关频率过快，且其寿命有限。因此，图3 电路一般只能用于间隔较长(如1 分钟或更长)时间读取一次温度值的场合。相反模拟开关无机械触点，动作速度快，寿命长，但其导通电阻是与电源电压有关的较大值，可达5 0 0 ～1200 Ω,且离散性很大，因此它们只能用来开关到高输入阻抗电路的电压信号，不可用来接通或断开几百欧姆的铂电阻。故图4 电路特别适用于间隔较短(如数秒钟)时间读取一次温度值的场合。不难看出图4 电路比图3 电路选配元件的工作量大得多。图3(a)和图4(a)适用于引线电阻较大场合的温度测量，图3(b)和图4(b)适用于引线电阻较小的场合温度的测量。
还要需要说明的是图2 通常是用于0 ℃以上温度的测量电路，在0 ℃以下时V0为负值，要采用能对正负电压均可采样的A/D 转换器或加电平移动电路。同时负温度时因Rt的表达式与上面不同，V0-t不再是线性关系，0℃上下要采用不同的数据处理方法。此外，采用各种有源电桥时，应特别注意其非正常工作状态，如图4(a)电路中，通常模拟开关输入端接正电压信号，如果当某路铂电阻的a 和b 、c 中任一线不慎接串位或全断线时，有源电桥输出电压V0接近放大器的负电源，这可能影响后面的模拟开关(如4067)不能正常工作，使A/D转换器输出均为零。采用2个4051(VDD=5V，Vss=0V)输出端并连，将其VEE端接图2放大器的负电源(V-=-5V)，即可保证在某一路出故障输出电压V0小于零伏时，其它路仍可正常工作，温度下限是负值时，也必须如此。
2 消除工频干扰和浪涌电压的影响
消除工频干扰的影响是在工业现场使用的测温仪必须解决的另一个重要问题，不采取相应的措施，测温仪通常难以正常工作，测量结果误差大，波动明显。浪涌是存在于供电系统中的一种电压瞬间过大波动的现象，电压幅度有时达到正常工作电压的几倍到几百倍，产生浪涌电压的原因主要有：雷击、大功率设备的启停、静电放电和线路故障等。浪涌电压与一般的过电压不同，因为它不仅幅值高，而且发生的时间极为短暂，一般的过电压保护因其反应速度低而对其无能为力。随机产生的浪涌电压的数据又不易对其测量，因而也很难确定合适的过电压保护元件或装置的参数。浪涌电压轻则使仪器短时间内不能正常工作，重则损坏仪器。相应的抗干扰设计如下。
2.1 堵塞干扰的耦合通道
由于建筑物、树木被雷击或高压线接地，因存在大地电阻，地面上2 点间可能有很大的电位差，如果仪器的供电线路或信号线两端与这2 点间有通路(绝缘不良或有接地系统)，供电线路或信号线内就会产生很大的浪涌电流，干扰或损坏仪器。雷击放电、在大功率设备供电线附近，特别是当流过导线的电流瞬间变化很大时，都会产生很强的电场或磁场，交变的电场会通过导体间的分布电容在测温仪的供电线路或信号线产生干扰信号。交变的磁场会通过导体间的互感在测温仪的供电线路或信号线上产生感应电压。交流供电线路是一个能拾取多种电磁干扰的网络，干扰信号能以路的方式直接进入测温仪。以上干扰信号分别通过共阻耦合、电场耦合、电磁耦合和传导耦合进入测温仪的供电线路和铂电阻引线上影响其正常工作。
只要优选导线和配件，按规程布线，截断地电位差的电流通路，即确保测温仪的供电线路或信号线以及相关的端子板插座等对地有很大的绝缘电阻，就可有效地克服共阻耦合的影响。削弱电场耦合和电磁耦合的最有效的方法是测温仪的供电线路和信号线尽可能远离干扰源线路和减少它们平行设置的区段，以减小电路间的分布电容和互感。如可能测温仪不用动力电源而用较“清洁”的照明电源供电效果会好些;与测温仪有关的线路与高压大电流导线应分开或相互垂直布设等。采用隔离变压器、安装交流电源滤波器和交流稳压器、加压敏电阻和瞬变抑制二极管等均可减小传导耦合的影响，可针对具体情况选取相应措施。
2.2 提高测温仪的抗干扰能力
针对不同的干扰信号应采取相应的措施，降低或消除其影响。对普遍存在的工频干扰可采取优先采用软件的和硬件相结合的方法，实践证明在一个或几个工频周期内，取等时间间隔多次采样结果的平均值，这种软件方法最方便实用。另外，还可以采用双积分式A/D 转换器，或转换过程为积分过程的V/F 转换电路(如LM331)读取数据，这些方法只要设计合理均可有效的抑制工频干扰。
在一些现场铂电阻引线过长，一方面引线电阻大，另一方面也极易引入干扰信号，采用屏蔽电缆或将引线置于铁管内再合理的接地可大大减小外界干扰信号的影响。如果铂电阻引线直接接到运算放大器输入端，建议采用尽可能取较高值的正负电源供电，因为一般正负电源的幅值越大，允许输入信号的极限值也越大，可在有较大幅值的干扰信号时确保运算放大器不损坏。又因C M O S 集成电路当超过电源电压的信号叠加到输入端后，即使这一叠加电压消失，只要没有切断电源，一个大电流将持续地在电路中流动，最终导致器件损坏，故与铂电阻直接相联的前置放大器不宜用CMOS 型而应采用双极型运算放大器。另外，由于市场出售的开关电源所用元件参数安全系数不高，较高浪涌电压极易烧毁一些器件，不能正常供电，且开关电源本身就是一个干扰源，慎用开关电源。采用串连稳压电既“纯洁”又相对能承受较大的浪涌冲击，可靠性明显高于一般的开关电源。
3 结束语
对于在一般工业现场使用的测温仪，上述2 个问题是必须要解决的，提出的措施简便易行，非常有效，已装配的测温仪现场运行正常，性能稳定。需要注意的是，不同场合现场环境和条件千差万别，特定的测量现场还可能存在其它干扰源，应有针对性的采取适当的措施，措施过多，成本高，占空间大，工作量大;忽略了某些干扰源或对其强度估计偏小，测量数据的可信度降低。
摘自：中国计量测控网
