基于三线制的高精度热电阻测量电路设计

2015-02-10 10:35:22   来源:eechina   

关键字: 热电阻测量  三线制  温度传感器

热电阻传感器是一种电阻值随环境温度变化而改变的温度传感器,其中用金属铂做成的热电阻因具有稳定性好、精度高、测温范围大等优点,而被广泛应用。测量温度的热电阻测温仪主要由热电阻传感器、测量显示仪表及连接导线组成。由于热电阻传感器自身的温度灵敏度较低,连接导线所具有的线路电阻对测量结果影响不容忽视,为了消除导线电阻的影响,热电阻测温仪广泛采用平衡电桥式三线制接法,这种方法使温度误差得到一定的补偿,但线路电阻的影响依然存在。提出基于恒压分压式三线制导线电阻补偿方法,电路简单,实现方便,可完全消除导线电阻的影响。相比于文献所提出的使用较多的硬件电路进行导线电阻补偿方法,该方法具有更加简洁的导线电阻补偿电路。  1 常用热电阻测量方法分析
  对于Pt100铂热电阻,国际温标BS-90中给出其阻值随温度变化关系如式(1)所示。

4_1(113).jpg

 

 


  式中,Rt为热电阻在温度为t℃时的阻值,R0为热电阻在温度为0℃时的阻值,R0=100 Ω,A=3.968 47×10-3℃-1,B=-5.847x10-7℃-2,C=-4.22x10-12℃-3是与传感器自身相关的系数。
  由式(1)可知,Pt100热电阻的灵敏度约为0.38 Ω/℃,为减小连接导线的线路电阻对测量结果的影响,一般常用三线制电桥法进行测量。VR=1 V其电路原理如图1所示。Rt为测温电阻,r为连接导线电阻,R1、R2、R3为固定桥臂,R1=R2=1 000 Ω,R3=100 Ω,VR为基准参考电压,G为测量仪表。在该电路中,3根导线分别连接传感器桥臂、电阻桥臂和输出端。采用这个方法可以很容易地测出待测电阻Rt。但是,在实际使用时,温度传感器和测温电路之间往往有一定距离,连接导线的电阻率约为0.1~0.5 Ω/m,连接导线电阻r所引起的测量误差不能忽视。

4_2(111).jpg

 

 


  如图1所示的电桥,在不考虑线路电阻r时,电桥的输出为:\ 4_4(77).jpg ,考虑线路电阻时,电桥输出Vc=VR(Rt+r)/(R1+Rt+r)-VR(R3+r)/(R2+R3+r),假设电桥在Rt=Rx时电桥平衡,即R2Rx=R1R3,且满足桥臂电阻R1=R2=R3=Rx=R,当Rt发生△R变化时,即Rt=R+△R,可计算出此时电桥因线路电阻r的存在造成的误差为:

4_5(63).jpg

 

 


  可以看出导线电阻r影响Rt的测量结果,并且无法通过调零电路完全消除。基于以上分析,提出了一种可完全消除导线误差的恒压分压式三线制高精度前置电路。
  2 恒压分压式三线制测量电路
  2.1 测量原理

4_6(50).jpg

 

 


  这里所使用的恒压分压式三线制法测电阻可以排除导线电阻的干扰,其等效原理图如图2所示。其中Rt为热电阻。r为导线等效电阻。VR为基准参考电压,VAD是A/D转换器的参考电压,β为电压放大倍数。
  由欧姆定律可得基本关系式:

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  从式(3)可以看出:在已知RV和VR的情况下,欲求Rt只需测出V2和V1,而与导线电阻r没有关系。且测量精度只取决于RV的精度与V1,V2的测量精度。在电桥法中无法消除的导线电阻在恒压分压式三线制方法中被完全消除。
  由于热电阻当有电流通过时,会引起自身温度升高,所以必须考虑其本身自热误差,即必须考虑流过热电阻的电流所引起的升温误差。常用的Pt100热电阻驱动电流约为1 mA。0℃时相当于自热功率约0.1 mW,在高精度测量时,应进一步降低自热功率,减小自热误差。这里设置VR=2.5V,RV=10kΩ,则自热功率约为0.006 mW。
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编辑:什么鱼
本文引用地址: http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/2015/0210/article_10885.html
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