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熱電阻傳感器是一種電阻值隨環(huán)境溫度變化而改變的溫度傳感器，其中用金屬鉑做成的熱電阻因具有穩定性好、精度高、測溫范圍大等優(yōu)點(diǎn)，而被廣泛應用。測量溫度的熱電阻測溫儀主要由熱電阻傳感器、測量顯示儀表及連接導線(xiàn)組成。由于熱電阻傳感器自身的溫度靈敏度較低，連接導線(xiàn)所具有的線(xiàn)路電阻對測量結果影響不容忽視，為了消除導線(xiàn)電阻的影響，熱電阻測溫儀廣泛采用平衡電橋式三線(xiàn)制接法，這種方法使溫度誤差得到一定的補償，但線(xiàn)路電阻的影響依然存在。提出基于恒壓分壓式三線(xiàn)制導線(xiàn)電阻補償方法，電路簡(jiǎn)單，實(shí)現方便，可完全消除導線(xiàn)電阻的影響。相比于文獻所提出的使用較多的硬件電路進(jìn)行導線(xiàn)電阻補償方法，該方法具有更加簡(jiǎn)潔的導線(xiàn)電阻補償電路�！ �1 常用熱電阻測量方法分析 對于Pt100鉑熱電阻，國際溫標BS-90中給出其阻值隨溫度變化關(guān)系如式(1)所示。 
式中，Rt為熱電阻在溫度為t℃時(shí)的阻值，R0為熱電阻在溫度為0℃時(shí)的阻值，R0=100 Ω，A=3.968 47×10-3℃-1，B=-5.847x10-7℃-2，C=-4.22x10-12℃-3是與傳感器自身相關(guān)的系數。 由式(1)可知，Pt100熱電阻的靈敏度約為0.38 Ω/℃，為減小連接導線(xiàn)的線(xiàn)路電阻對測量結果的影響，一般常用三線(xiàn)制電橋法進(jìn)行測量。VR=1 V其電路原理如圖1所示。Rt為測溫電阻，r為連接導線(xiàn)電阻，R1、R2、R3為固定橋臂，R1=R2=1 000 Ω，R3=100 Ω，VR為基準參考電壓，G為測量?jì)x表。在該電路中，3根導線(xiàn)分別連接傳感器橋臂、電阻橋臂和輸出端。采用這個(gè)方法可以很容易地測出待測電阻Rt。但是，在實(shí)際使用時(shí)，溫度傳感器和測溫電路之間往往有一定距離，連接導線(xiàn)的電阻率約為0.1～0.5 Ω/m，連接導線(xiàn)電阻r所引起的測量誤差不能忽視。
如圖1所示的電橋，在不考慮線(xiàn)路電阻r時(shí)，電橋的輸出為：
可以看出導線(xiàn)電阻r影響Rt的測量結果，并且無(wú)法通過(guò)調零電路完全消除�；谝陨戏治�，提出了一種可完全消除導線(xiàn)誤差的恒壓分壓式三線(xiàn)制高精度前置電路。 2 恒壓分壓式三線(xiàn)制測量電路 2.1 測量原理
這里所使用的恒壓分壓式三線(xiàn)制法測電阻可以排除導線(xiàn)電阻的干擾，其等效原理圖如圖2所示。其中Rt為熱電阻。r為導線(xiàn)等效電阻。VR為基準參考電壓，VAD是A/D轉換器的參考電壓，β為電壓放大倍數。 由歐姆定律可得基本關(guān)系式：
從式(3)可以看出：在已知RV和VR的情況下，欲求Rt只需測出V2和V1，而與導線(xiàn)電阻r沒(méi)有關(guān)系。且測量精度只取決于RV的精度與V1，V2的測量精度。在電橋法中無(wú)法消除的導線(xiàn)電阻在恒壓分壓式三線(xiàn)制方法中被完全消除。 由于熱電阻當有電流通過(guò)時(shí)，會(huì )引起自身溫度升高，所以必須考慮其本身自熱誤差，即必須考慮流過(guò)熱電阻的電流所引起的升溫誤差。常用的Pt100熱電阻驅動(dòng)電流約為1 mA。0℃時(shí)相當于自熱功率約0.1 mW，在高精度測量時(shí)，應進(jìn)一步降低自熱功率，減小自熱誤差。這里設置VR=2.5V，RV=10kΩ，則自熱功率約為0.006 mW。 2.2 提高測量精度措施 與三線(xiàn)制平衡電橋法相擬，圖2所示的電路輸出電壓V1與V2數值較小，還應加入一級電壓放大后，再進(jìn)行A/D轉換。參考電壓VR一般由精密恒壓源提供穩定的電壓信號，此外單片機軟件在數學(xué)計算上選擇適當的算法和字長(cháng)時(shí)，該計算誤差也可不計。但放大電路的放大倍數β和RV會(huì )因元器件個(gè)體而異，特別是在批量生產(chǎn)時(shí)元器件的精度難以保證統一，因此對一個(gè)具體輸入電路而言，還需考慮β和RV帶來(lái)的誤差。 為了消除β和RV帶來(lái)的誤差，可以通過(guò)標定法，在儀表生產(chǎn)時(shí)進(jìn)行自動(dòng)標定計算，求得實(shí)際電路的β和RV值，再將這兩個(gè)參數記錄在儀表的非易失存儲器中，在儀表進(jìn)行溫度測量時(shí)，讀取該參數按式(1)進(jìn)行計算，從而得到精確的測量溫度。 如果把圖2中長(cháng)導線(xiàn)用盡可能短的導線(xiàn)代替(即r=O)，并以精密電阻R代替熱電阻Rt，VAD是A/D轉換器的參考電壓，β為電壓放大倍數，其余部分保持不變，則有：
在式(4)中，R是已知阻值的精密電阻;D是A/D轉換的結果，該結果可方便地從儀表顯示裝置中讀出;VR與VAD是基準電壓，為恒定的常量;β為電路的總放大倍數;K是A/D轉換的比例因子，如對于14位的A/D轉換器，K=214。那么式(2)中只有2個(gè)未知數RV和β。對于一個(gè)具體輸入電路，如果取2個(gè)阻值已知的精密電阻R1、R2分別接入圖2所示電路進(jìn)行標定(標定時(shí)，盡量使r=0)，就可以得到一個(gè)二元一次方程組。這樣，對于一個(gè)具體輸入電路而言，可從方程組解出β和RV，其結果如下：
上述標定方法可以總結為：2個(gè)阻值已知的精密標準電阻R1、R2分別接儀表的輸入端，且使用連接導線(xiàn)的電阻盡量減小，這時(shí)記錄儀表讀數D1與D2，代入式(5)即可計算出所標定儀表的未知參數β和RV。在使用中，建議將VR與VAD使用同一個(gè)基準源，這樣式(5)中β的計算就與參考電壓的精度無(wú)關(guān)。這種方法減小了不同基準源之間的差異，特別是減小了不同基準的時(shí)漂與溫漂的影響。 2.3 測量電路
圖3是高精度Pt100溫度測量系統的前置輸入電路部分，其中Pt100基準電壓與A/D轉換器ICL7135的基準電壓為同一電壓基準源，Pt100的2路測量輸入信號V1與V2采用同一運算放大器放大(1+R3/R4)倍后進(jìn)入A/D轉換器，使用微型繼電器K1進(jìn)行通道選擇，這種方法共用運算放大器、A/D轉換器、基準電壓源，減小了不同器件之間的差異對測量結果的影響。ICL7135的A/D轉換結果通過(guò)串行方式與單片機相連，可以大大節約單片機的IO口。該電路在標定時(shí)，使用標準電阻100Ω與300Ω進(jìn)行標定，將標定結果β和RV存入單片機系統的EEPROM中。在實(shí)際測量中，單片機系統將β和RV取出，作為已知值，由式(3)計算出電阻Rt值。 2.4 測量電路試驗分析 對比三線(xiàn)制平衡電橋法，該電路檢測結果得到了大大提高，表1是2種不同方法的測量標準電阻值的對比。其中r為線(xiàn)路電阻。
從表1中可以看出，由于三線(xiàn)制平衡電橋法理論測量結果即存在較大誤差，且隨線(xiàn)路電阻r的增加，引起的誤差越大，隨待測熱電阻阻值增大，絕對誤差也呈增大的均勢。表1中，最大相對誤差為被測電阻Rt=300 Ω，線(xiàn)路電阻r=20 Ω時(shí)，達到了2.57%。本文采用改進(jìn)后的三線(xiàn)制法的實(shí)測結果在所測數據范圍內最大絕對誤差只有0.3 Ω，最大相對誤差為±0.1%。電路使用的A/D轉換器僅相當于14位的A/D轉換精度，若使用更高精度的A/D轉換器，可達到更高的測量精度。在實(shí)際的熱電阻傳感器測溫儀表中，還需加入由被測電阻轉換為對應溫度的相關(guān)程序。即在測量得到Rt后，由式(1)計算即可精確求解出實(shí)際的溫度值。 3 結論 三線(xiàn)制平衡電橋法在熱電阻測量中應用廣泛，但存在無(wú)法消除傳感器引線(xiàn)電阻引起測量誤差的問(wèn)題。本文分析了測量熱電阻平衡電橋法中存在的問(wèn)題，提出了恒壓分壓式三線(xiàn)制測量方法，分析了測量電路產(chǎn)生誤差的原因及影響因素，推導并建立了待測電阻的影響參數及公式，設計了完整的測量電路，包括信號放大器和A/D轉換器以及與單片機的接口電路。最終對所設計電路的測試精度進(jìn)行試驗測定，試驗表明，三線(xiàn)制平衡電橋法測標準電阻值在100～300Ω，線(xiàn)路電阻在0～20Ω時(shí)最大測量誤差達到2.57%，而平衡三線(xiàn)制測量誤差只有±0.1%。從而獲得了高精度的三線(xiàn)制熱電阻測量電路。 |
