熱電阻四線制連接法在恒流驅動中的應用及分析

【摘要】對熱電阻感溫元件四線制加接法在恒流驅動電路中的應用作了分析，證明構成恒流源的運放反饋電阻足夠大時，熱電阻四線制連接法可有效的減小傳感器接線電阻和接插件的接觸電阻變化時溫度測量讀數的影響。
　　熱電阻作為溫度傳感器得到了廣泛的應用.一般采用二線制或三線制接入驅動電路;當需要正確測量溫度或傳感器的引線很長時.則采用四線制接人驅動電路,以徹底消除傳感器導線電陰和接插件連接處的接觸電阻對測試結果的影響。在恒流驅動電路中.熱電陰Rt的兩電流引線接恒流源,兩電壓引線接高阻抗電壓表,如圖1所示.圖中溫度信號輸出電壓直接取自熱電阻兩端:R3R4為兩電流引線的電阻，RI.R2為兩電壓引線電阻.這里引線電阻包括導線電阻和連接件的接觸電阻。由于與Rr并聯的電壓.表測量支路的阻抗很高.因此漏電流極小.恒流源的電流全部從Rr流過.流過Rr的電流是一個常數.在電壓表測量問路中，由于輸人阻抗很大.R1和R2上的壓降可以忽略.電壓表上測得的電壓為Rr上.的壓降(只與熱電阻的溫度有關).這種電路分析比較簡單.
 
　　另一種恒流驅動電路.其輸出電壓并不直接取自熱電阻兩端;對這種形式的電路,有必要作進一步的分析。
一. 不直接從熱電阻兩端輸出的恒流驅動電路
 
　　在圖2中.熱電阻R接在由運放IC組成的恒流源電路的反饋回路中恒流源給Rr提供一個恒定電流.運放的輸出為溫度信號的輸出。圖中熱電阻Rr采用-一.線制連接法接入恒流源,r1，與r2為Rr的兩接線電阻(包括導線電阻及接插件的接觸電阻兩部分).運放的開環增益Ao很大時，運放輸出電壓的表達式為
 
　　若熱電阻在0℃時阻值為Ro.在任意溫度t時阻值為
 
　　其中△R為溫度t的線性函數或近似線性函數，在t=0℃時,△R取零值.在實際測溫中，要求溫度為零時，輸出電壓為零。為此應調節Rs.Rt的阻值使
 
　　由(4).式知，熱電阻的接線電阻r1和r2將影響輸出信號電壓的大小r1和r2不是恒定的，它們隨環境溫度以及接插件的連接狀況而變化.月不能通過校準來消除掉.因此將引入測試誤差。
二.四線制連接法在恒流驅動電路中的應用
　　為了克服上述恒流驅動電路中熱電阻的引線電阻的影響，可以采用四線制連接法將熱電阻接人電路(見圖3).其電流引線的電阻為rs和.R4.電壓引線電阻為r1和IC2為下一級放大的運算放大器。假設運放的開環放大倍數Ao=?且下一級放大器的輸入阻抗為無窮大.圖3的等效電路圖可簡化為圖4的形式。
 
　　圖中V.n為反相端電壓，Vp為同相端電壓.I為Rr中流過的電流，Vr為Rr上的壓降，Veu,為輸出電壓:由于Ao=?,在Rr和R。+r3構成的負反饋網絡的作用下。Vn=Vp,運放輸入阻抗上的電壓為零.沒有電流流過.與它串接的引線電阻r1上也無電流流過.其上壓降為零,所以圖4中不予考慮.同樣,由于下級放大器的輸人阻抗為無窮大,無電流流過,與它串接的引線電阻r2也沒有電流流過.其壓降為零,在圖4中也不子考慮。由圖4很容易導出
 
　　由(11)式看出.輸出電壓與熱電阻的變化量AR呈線性關系。若熱電阻阻值與溫度變化也呈線性關系，則輸出電壓與溫度呈線性關系。由(9)式求差分得到引線電阻變化引起的輸出變化為
 
(14)式給出引線電阻變化引起的溫度誤差。從(14)看出.采用四線制接線法以后.只有引線電阻r1的變化值△r3會產生溫度誤差.該誤差與電阻Ra成反比。為了使誤差盡可能小。應采用較大阻值的R.但R。不能太大。否則流過Rr的電流將減小,使輸出信號電壓減小，因此R.的選擇應折中考慮。
　　在實際工作中.我們設計了一個驅動熱電阻的恒流源電路(見圖5).由穩壓電源輸出的-7.5V電壓.經電阻R和2DW7C型精密穩壓管D構成的穩壓器再次穩壓后，給恒流源提供一6.2V的高穩定的基準電壓源E;熱電阻Rr采用四線制接人恒流源電路.引線長2米.用插頭座與電路連接,Rb與Re的比例關系可通過電位.器調節.用以滿足溫度為零輸出為零的條件.Rr為銅熱電阻，其零度阻值為Ro=20歐，在0~100℃范圍內.具有非常理想的線性關系:溫度每變化1度.電阻變化0.085歐。
 
　　為了驗證四線制連接法的作用(測試溫度為零).在四線中分別依次串入0.1歐的電阻來模擬引線電阻的變化.結果發現溫度指示無變化.若用(14)式計算,其對應的溫度誤差為
 
　　這一誤差已超出實驗裝置溫度指示的靈敏度范圍.實驗裝置的溫度指示的分腓率為0.1℃.從這里可以看出.四線制連接法有效地消除了引線電阻變化所帶來的測溫誤差。
四.結論
　　在運算放大器輸出端輸出溫度信號的恒流源驅動電路中,采用四線制連接法把熱電阻接入電路,能有效地減小引線電阻變化引起的溫度誤差,這種方法可以完全消除兩電壓引線電阻和一電流引線電阻變化產生的誤差、另一電.流引線可引起的誤差也可大大降低。為了減小引線帶來的測溫誤差,應使運算放大器反饋網絡中的電阻R。取足夠大的阻值。