热电阻测量电路常用三线制电桥_热电阻_电阻

热电阻接线办法

热电阻是把温度变革转换为电阻值变革的一次元件，常日须要把电阻旗子暗记通过引线通报到打算机掌握装置或者其它一次仪表上。
工业用热电阻安装在生产现场，与掌握室之间存在一定的间隔，因此热电阻的引线对丈量结果会有较大的影响。

热电阻（图5）

目前热电阻的引线紧张有三种办法：

二线制：在热电阻的两端各连接一根导线来引出电阻旗子暗记的办法叫二线制：这种引线方法很大略，但由于连接导线一定存在引线电阻r，r大小与导线的材质和长度的成分有关，因此这种引线办法只适用于丈量精度较低的场合

三线制：在热电阻的根部的一端连接一根引线，另一端连接两根引线的办法称为三线制，这种办法常日与电桥配套利用，可以较好的肃清引线电阻的影响，是工业过程掌握中的最常用的。

四线制：在热电阻的根部两端各连接两根导线的办法称为四线制，个中两根引线为热电阻供应恒定电流I，把R转换成电压旗子暗记U，再通过另两根引线把U引至二次仪表。
可见这种引线办法可完备肃清引线的电阻影响，紧张用于高精度的温度检测。

热电阻采取三线制接法。
采取三线制是为了肃清连接导线电阻引起的丈量偏差。
这是由于丈量热电阻的电路一样平常是不平衡电桥。
热电阻作为电桥的一个桥臂电阻，其连接导线（从热电阻到中控室）也成为桥臂电阻的一部分，这一部分电阻是未知的且随环境温度变革，造成丈量偏差。
采取三线制，将导线一根接到电桥的电源端，别的两根分别接到热电阻所在的桥臂及与其相邻的桥臂上，这样肃清了导线线路电阻带来的丈量偏差。

热电阻丈量电路常用三线制电桥的缘故原由

采取三线制是为了肃清连接导线电阻引起的丈量偏差。
这是由于丈量热电阻的电路一样平常是不平衡电桥。
热电阻作为电桥的一个桥臂电阻，其连接导线（从热电阻到中控室）也成为桥臂电阻的一部分，这一部分电阻是未知的且随环境温度变革，造成丈量偏差。
采取三线制，将导线一根接到电桥的电源端，别的两根分别接到热电阻所在的桥臂及与其相邻的桥臂上，这样肃清了导线线路电阻带来的丈量偏差。

针对利用中涌现的三线制平衡电桥温度测温不准确问题，提出了一种与丈量导线电阻无关的恒压分压式三线制热电阻测温方法。
在剖析了三线制平衡电桥法的根本上，提出了丈量电路模型，描述了肃清导线电阻的丈量方法，剖析了提高丈量精度的方法，推导出了数字校准公式。

利用通用运算放大器OP07与14位分辨率双积分型A/D转换器ICL7135设计了简洁的输入检测电路。
经实验验证，该电路对付Pt100热电阻，导线电阻在0～20 Ω范围内，热电阻丈量偏差将优于±0.1%。

热电阻传感器是一种电阻值随环境温度变革而改变的温度传感器，个顶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，而被广泛运用。
丈量温度的热电阻测温仪紧张由热电阻传感器、丈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丈量结果影响不容忽略，为了肃清导线电阻的影响，热电阻测温仪广泛采取平衡电桥式三线制接法，这种方法使温度偏差得到一定的补偿，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，电路大略，实现方便，可完备肃清导线电阻的影响。
比较于文献所提出的利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 常用热电阻丈量方法剖析

对付Pt100铂热电阻，国际温标BS-90中给出其阻值随温度变革关系如式（1）所示。

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&TImes;10-3℃-1，B=-5．847x10-7℃-2，C=-4．22x10-12℃-3是与传感器自身干系的系数。

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丈量结果的影响，一样平常常用三线制电桥法进行丈量。
VR=1 V其电路事理如图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为丈量仪表。
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。
采取这个方法可以很随意马虎地测出待测电阻Rt。
但是，在实际利用时，温度传感器和测温电路之间每每有一定间隔，连接导线的电阻率约为0．1～0．5 Ω／m，连接导线电阻r所引起的丈量偏差不能忽略。

如图1所示的电桥，在不考虑线路电阻r时，电桥的输出为：V‘c=VRRt／（R1+Rt）-VRR3／（R2+R3），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，且知足桥臂电阻R1=R2=R3=Rx=R，当Rt发生△R变革时，即Rt=R+△R，可打算出此时电桥因线路电阻r的存在造成的偏差为：

可以看出导线电阻r影响Rt的丈量结果，并且无法通过调零电路完备肃清。
基于以上剖析，提出了一种可完备肃清导线偏差的恒压分压式三线制高精度前置电路。

2 恒压分压式三线制丈量电路

2．1 丈量事理

这里所利用的恒压分压式三线制法测电阻可以打消导线电阻的滋扰，其等效事理图如图2所示。
个中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。

从式（3）可以看出：在已知RV和VR的情形下，欲求Rt只需测出V2和V1，而与导线电阻r没有关系。
且丈量精度只取决于RV的精度与V1，V2的丈量精度。
在电桥法中无法肃清的导线电阻在恒压分压式三线制方法中被完备肃清。

由于热电阻当有电流利过期，会引起自身温度升高，以是必须考虑其本身自热偏差，即必须考虑流过热电阻的电流所引起的升温偏差。
常用的Pt100热电阻驱动电流约为1 mA。
0℃时相称于自热功率约0．1 mW，在高精度丈量时，应进一步降落自热功率，减小自热偏差。
这里设置VR=2.5V，RV=10kΩ，则自热功率约为0．006 mW。

2．2 提高丈量精度方法

与三线制平衡电桥法相拟，图2所示的电路输出电压V1与V2数值较小，还应加入一级电压放大后，再进行A／D转换。
参考电压VR一样平常由精密恒压源供应稳定的电压旗子暗记，此外单片机软件在数学打算上选择适当的算法和字永劫，该打算偏差也可不计。
但放大电路的放大倍数β和RV会因元器件个体而异，特殊是在批量生产时元器件的精度难以担保统一，因此对一个详细输入电路而言，还需考虑β和RV带来的偏差。

为了肃清β和RV带来的偏差，可以通过标定法，在仪表生产时进行自动标定打算，求得实际电路的β和RV值，再将这两个参数记录在仪表的非易失落存储器中，在仪表进行温度丈量时，读取该参数按式（1）进行打算，从而得到精确的丈量温度。

如果把图2中长导线用尽可能短的导线代替（即r=O），并以精密电阻R代替热电阻Rt，VAD是A／D转换器的参考电压，β为电压放大倍数，别的部分保持不变，则有：

式（4）中，R是已知阻值的精密电阻；D是A／D转换的结果，该结果可方便地从仪表显示装置中读出；VR与VAD是基准电压，为恒定的常量；β为电路的总放大倍数；K是A／D转换的比例因子，如对付14位的A／D转换器，K=214。
那么式（2）中只有2个未知数RV和β。
对付一个详细输入电路，如果取2个阻值已知的精密电阻R1、R2分别接入图2所示电路进行标定（尺度时，只管即便使r=0），就可以得到一个二元一次方程组。
这样，对付一个详细输入电路而言，可从方程组解出β和RV，其结果如下：

上述标定方法可以总结为：2个阻值已知的精密标准电阻R1、R2分别接仪表的输入端，且利用连接导线的电阻只管即便减小，这时记录仪表读数D1与D2，代入式（5）即可打算出所标定仪表的未知参数β和RV。
在利用中，建议将VR与VAD利用同一个基准源，这样式（5）中β的打算就与参考电压的精度无关。
这种方法减小了不同基准源之间的差异，特殊是减小了不同基准的时漂与温漂的影响。

2．3 丈量电路

图3是高精度Pt100温度丈量系统的前置输入电路部分，个中Pt100基准电压与A／D转换器ICL7135的基准电压为同一电压基准源，Pt100的2路丈量输入旗子暗记V1与V2采取同一运算放大器放大（1+R3／R4）倍后进入A／D转换器，利用微型继电器K1进行通道选择，这种方法共用运算放大器、A／D转换器、基准电压源，减小了不同器件之间的差异对丈量结果的影响。
ICL7135的A／D转换结果通过串行办法与单片机相连，可以大大节约单片机的IO口。
该电路在尺度时，利用标准电阻100Ω与300Ω进行标定，将标定结果β和RV存入单片机系统的EEPROM中。
在实际丈量中，单片机系统将β和RV取出，作为已知值，由式（3）打算出电阻Rt值。

2．4 丈量电路试验剖析

比拟三线制平衡电桥法，该电路检测结果得到了大大提高，表1是2种不同方法的丈量标准电阻值的比拟。
个中r为线路电阻。

表1热电阻阻值丈量结果

从表1中可以看出，由于三线制平衡电桥法理论丈量结果即存在较大偏差，且随线路电阻r的增加，引起的偏差越大，随待测热电阻阻值增大，绝对偏差也呈增大的均势。
表1中，最大相对偏差为被测电阻Rt=300 Ω，线路电阻r=20 Ω时，达到了2．57％。
本文采取改进后的三线制法的实测结果在所测数据范围内最大绝对偏差只有0．3 Ω，最大相对偏差为±0．1％。
电路利用的A／D转换器仅相称于14位的A／D转换精度，若利用更高精度的A／D转换器，可达到更高的丈量精度。
在实际的热电阻传感器测温仪表中，还需加入由被测电阻转换为对应温度的干系程序。
即在丈量得到Rt后，由式（1）打算即可精确求解呈现实的温度值。

3 结论

三线制平衡电桥法在热电阻丈量中运用广泛，但存在无法肃清传感器引线电阻引起丈量偏差的问题。
本文剖析了丈量热电阻平衡电桥法中存在的问题，提出了恒压分压式三线制丈量方法，剖析了丈量电路产生偏差的缘故原由及影响成分，推导并建立了待测电阻的影响参数及公式，设计了完全的丈量电路，包括旗子暗记放大器和A／D转换器以及与单片机的接口电路。
终极对所设计电路的测试精度进行试验测定，试验表明，三线制平衡电桥法测标准电阻值在100～300Ω，线路电阻在0～20Ω时最大丈量偏差达到2．57％，而平衡三线制丈量偏差只有±0．1％。
从而得到了高精度的三线制热电阻丈量电路。