基于三線制精度高熱電阻測(cè)量電路

摘要:針對(duì)使用中出現(xiàn)的三線制平衡電橋溫度測(cè)溫不準(zhǔn)確問(wèn)題，提出了一種與測(cè)量導(dǎo)線電阻無(wú)關(guān)的恒壓分壓式三線制熱電阻測(cè)溫方法。在分析了三線制平衡電橋法的基礎(chǔ).上,提出了測(cè)量電路模型,描述了消除導(dǎo)線電阻的測(cè)量方法，分析了提高測(cè)量精度的措施,推導(dǎo)出了數(shù)字校準(zhǔn)公式。使用通用運(yùn)算放大器OPO7與14位分辨率雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器ICL7135設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)潔的輸入檢測(cè)電路。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,該電路對(duì)于Pt100熱電阻,導(dǎo)線電阻在0~20 Q范圍內(nèi)熱電阻測(cè)量誤差將優(yōu)于±0.1%。
　　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(wěn)定性好、精度高、測(cè)溫范圍大等優(yōu)點(diǎn),而被廣泛應(yīng)用。測(cè)量溫度的熱電阻測(cè)溫儀主要由熱電阻傳感器、測(cè)量顯示儀表及連接導(dǎo)線組成。由于熱電阻傳感器自身的溫度靈敏度較低,連接導(dǎo)線所具有的線路電阻對(duì)測(cè)量結(jié)果影響不容忽視,為了消除導(dǎo)線電阻的影響，熱電阻測(cè)溫儀廣泛采用平衡電橋式三線制接法,這種方法使溫度誤差得到一定的補(bǔ)償,但線路電阻的影響依然存在-2。提出基于恒壓分壓式三線制導(dǎo)線電阻補(bǔ)償方法,電路簡(jiǎn)單,實(shí)現(xiàn)方便,可完全消除導(dǎo)線電阻的影響。相比于文獻(xiàn)[3]所提出的使用較多的硬件電路進(jìn)行導(dǎo)線電阻補(bǔ)償方法，該方法具有更加簡(jiǎn)潔的導(dǎo)線電阻補(bǔ)償電路。
1常用熱電阻測(cè)量方法分析
　　對(duì)于Pt100鉑熱電阻，國(guó)際溫標(biāo)IIS-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,R。為熱電阻在溫度為0℃時(shí)的阻值, R。=100Ω,A=3.968 47x10^-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(shù)。
　　由式(1)可知, Pt100熱電阻的靈敏度約為0.38Ω/℃,為減小連接導(dǎo)線的線路電阻對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響,-般常用三線制電橋法進(jìn)行測(cè)量,VR=1 V其電路原理如圖1所示。R,為測(cè)溫電阻,r為連接導(dǎo)線電阻,R1、R2、R3為固定橋臂,R1=R2=1 000Ω,R3=100 Ω, VR為基準(zhǔn)參考電壓,G為測(cè)量?jī)x表。在該電路中,3根導(dǎo)線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(cè)出待測(cè)電阻Rt。但是,在實(shí)際使用時(shí)，溫度傳感器和測(cè)溫電路之間往往有-定距離，連接導(dǎo)線的電阻率約為0.1~0.5 Ω/m,連接導(dǎo)線電阻r所引起的測(cè)量誤差不能忽視。
 
　　如圖1所示的電橋,在不考慮線路電阻r時(shí)，電橋的輸出為:Vc'=VR/(R1+Rt)-VRR3/(R2+R3),考慮線路電阻時(shí),電橋輸出VG=VR(Rt+r)/(R1+Rt+r)-VR(R2+r)/(R2+R3+r),假設(shè)電橋在Rt=Rx時(shí)電橋平衡,即R2Rx=R1R3,且滿足橋臂電阻R1=R2=R3=Rx=R,當(dāng)Rt發(fā)生△R變化時(shí),即Rt=R+△R,可計(jì)算出此時(shí)電橋因線路電阻r的存在造成的誤差為:
 
　　可以看出導(dǎo)線電阻r影響Rt的測(cè)量結(jié)果，并且無(wú)法通過(guò)調(diào)零電路完全消除。基于以上分析，提出了- -種可完全消除導(dǎo)線誤差的恒壓分壓式三線制精度高前置電路。
2恒壓分 壓式三線制測(cè)量電路
2.1測(cè)量原理
　　這里所使用的恒壓分壓式三線制法測(cè)電阻可以排除導(dǎo)線電阻的干擾,其等效原理圖如圖2所示。其中Rt為熱電阻。r為導(dǎo)線等效電阻。VR 為基準(zhǔn)參考電壓，VAD是A/D轉(zhuǎn)換器的參考電壓,β為電壓放大倍數(shù)。
 
　　從式(3)可以看出:在已知Rv和VR的情況下,欲求Rt只需測(cè)出V2和V1,而與導(dǎo)線電阻r沒(méi)有關(guān)系。且測(cè)量精度只取決于Rv的精度與V1V2的測(cè)量精度。在電橋法中無(wú)法消除的導(dǎo)線電阻在恒壓分壓式三線制方法中被完全消除。
　　由于熱電阻當(dāng)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(qū)動(dòng)電流約為1 mA,0℃時(shí)相當(dāng)于自熱功率約0.1mW,在精度高測(cè)量時(shí)，應(yīng)進(jìn)一步降低自熱功率,減小自熱誤差。這里設(shè)置VR=2.5 V,Rv=10kΩ,則自熱功率約為0.006 mW。
2.2提高測(cè)量精度措 施
　　與三線制平衡電橋法相擬,圖2所示的電路輸出電壓V與V2數(shù)值較小，還應(yīng)加入一級(jí)電壓放大后，再進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。參考電壓VR一般由精密恒壓源提供穩(wěn)定的電壓信號(hào),此外單片機(jī)軟件在數(shù)學(xué)計(jì)算.上選擇適當(dāng)?shù)乃惴ê妥珠L(zhǎng)時(shí)，該計(jì)算誤差也可不計(jì)。但放大電路的放大倍數(shù)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(tǒng)一,因此對(duì)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(biāo)定法,在儀表生產(chǎn)時(shí)進(jìn)行自動(dòng)標(biāo)定計(jì)算,求得實(shí)際電路的β和Rv值,再將這兩個(gè)參數(shù)記錄在儀表的非易失存儲(chǔ)器中,在儀表進(jìn)行溫度.測(cè)量時(shí),讀取該參數(shù)按式(1)進(jìn)行計(jì)算,從而得到正確的測(cè)量溫度。
　　如果把圖2中長(zhǎng)導(dǎo)線用盡可能短的導(dǎo)線代替(即r=0),并以精密電阻R代替熱電阻RtVAD是A/D轉(zhuǎn)換器的參考電壓,β為電壓放大倍數(shù),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(zhuǎn)換的結(jié)果，該結(jié)果可方便地從儀表顯示裝置中讀出;Vπ與Vπ是基準(zhǔn)電壓，為恒定的常量;β為電路的總放大倍數(shù);K是A/D轉(zhuǎn)換的比例因子,如對(duì)于14 位的A/D轉(zhuǎn)換器,K=2¹⁴。那么式(2)中只有2個(gè)未知數(shù)Rv和β。對(duì)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(biāo)定(標(biāo)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(duì)于一個(gè)具體輸入電路而言,可從方程組解出β和Rv,其結(jié)果如下:
 
　　上述標(biāo)定方法可以總結(jié)為:2個(gè)阻值已知的精密標(biāo)準(zhǔn)電.阻R1、R2分別接儀表的輸入端，且使用連接導(dǎo)線的電阻盡量減小，這時(shí)記錄儀表讀數(shù)D1與D2,代入式(5)即可計(jì)算出所標(biāo)定儀表的未知參數(shù)β和Rv。在使用中，建議將VR與VAD使用同一個(gè)基準(zhǔn)源,這樣式(5)中β的計(jì)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(zhǔn)源之間的差異，特別是減了不同基準(zhǔn)的時(shí)漂與溫漂的影響。
2.3測(cè)量 電路
 
　　圖3是精度高Pt100溫度測(cè)量系統(tǒng)的前置輸入電路部分,其中Pt100基準(zhǔn)電壓與A/D轉(zhuǎn)換器ICL7135的基準(zhǔn)電壓為同一電壓基準(zhǔn)源,Pt100的2路測(cè)量輸入信號(hào)V與V2采用同一運(yùn)算放大器放大(1+R3/R4)倍后進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器,使用微型繼電器K1進(jìn)行通道選擇，這種方法共用運(yùn)算放大器、AD轉(zhuǎn)換器、基準(zhǔn)電壓源,減小了不同器件之間的差異對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。ICL7135 的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果通過(guò)串行方式與單片機(jī)相連,可以大大節(jié)約單片機(jī)的I0口。該電路在標(biāo)定時(shí),使用標(biāo)準(zhǔn)電阻100n與300Ω進(jìn)行標(biāo)定，將標(biāo)定結(jié)果β和Rv存.入單片機(jī)系統(tǒng)的EEPROM中。在實(shí)際測(cè)量中，單片機(jī)系統(tǒng)將β和Rv取出,作為已知值,由式(3)計(jì)算出電阻Rt值。
2.4測(cè)量 電路試驗(yàn)分析
　　對(duì)比三線制平衡電橋法,該電路檢測(cè)結(jié)果得到了大大提高,表1是2種不同方法的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)電阻值的對(duì)比。其中r為.線路電阻。
 
　　從表1中可以看出，由于三線制平衡電橋法理論測(cè)量結(jié)果即存在較大誤差，且隨線路電阻r的增加，引起的誤差越大,隨待測(cè)熱電阻阻值增大,絕對(duì)誤差也呈增大的均勢(shì)。表1中，最大相對(duì)誤差為被測(cè)電阻Rt=300Ω,線路電阻r=20Ω時(shí),達(dá)到了2.57%。采用改進(jìn)后的三線制法的實(shí)測(cè)結(jié)果在所測(cè)數(shù)據(jù)范圍內(nèi)最大絕對(duì)誤差只有0.3Ω,最大相對(duì)誤差為±0.1%。電路使用的A/D轉(zhuǎn)換器僅相當(dāng)于14 位的A/D轉(zhuǎn)換精度,若使用更精度高的A/D轉(zhuǎn)換器,可達(dá)到更高的測(cè)量精度問(wèn)。在實(shí)際的熱電阻傳感器測(cè)溫儀表中,還需加入由被測(cè)電阻轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)溫度的相關(guān)程序。即在測(cè)量得到R,后,由式(1)計(jì)算即可正確求解出實(shí)際的溫度值"。
3結(jié)論
　　三線制平衡電橋法在熱電阻測(cè)量中應(yīng)用廣泛,但存在無(wú)法消除傳感器引線電阻引起測(cè)量誤差的問(wèn)題。分析了測(cè)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制測(cè)量方法，分析了測(cè)量電路產(chǎn)生誤差的原因及影響因素,推導(dǎo)并建立了待測(cè)電阻的影響參數(shù)及公式，設(shè)計(jì)了完整的測(cè)量電路,包括信號(hào)放大器和A/D轉(zhuǎn)換器以及與單片機(jī)的接口電路。最終對(duì)所設(shè)計(jì)電路的測(cè)試精度進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)定，試驗(yàn)表:明,三線制平衡電橋法測(cè)標(biāo)準(zhǔn)電阻值在100~300Ω,線路電阻在0~20 Ω時(shí)最大測(cè)量誤差達(dá)到2.57%，而平衡三線制測(cè)量誤差只有+0.1%。從而獲得了精度高的三線制熱電阻測(cè)量電路。