一種熱電阻溫度測量的全補償方法

[摘要]熱電阻溫度測量中熱電阻的非線性不平衡電橋的非線性及引線電阻都給測量帶來誤差.本文采用鉑電阻改進型實用有源線性化橋路克服了上述誤差,實現了精度高的溫度測量.
0引言
　　溫度的精度高測量是工業生產領域的一個重要問題.目前使用比較廣泛的溫度傳感器有4類:熱電阻、熱電偶、熱敏電阻及集成溫度傳感器.熱電阻溫度傳感器中的鉑熱電阻以其精度高、性能穩定、互換性好、耐腐蝕及使用方便等優點,成為工業測控系統中廣泛使用的一種比較理想的測溫元件.熱電阻測溫的常規方法是將熱電阻接到電橋的一個橋臂.上,通過測量不平衡電橋的輸出得到溫度值.在這種方法中,鉑電阻的非線性和不平衡電橋的非線性,會給測量帶來誤差而且,鉑電阻作為溫度傳感器使用時,必須把它放在測溫現場,從測溫點到測量變換電路之間的布線長度少則幾米，多則幾十米甚至上百米,這樣長的連接導線,即使不計熱噪電阻,它自身的引線電阻也是相當可觀.的.如50~100m長的連接導線,引線電阻--般為4~10Ω.而對常用的Pt100鉑電阻來說,溫度的變化率約為0.391Ω2/℃,與該變化率相比,引線電阻對測量精度的影響也很大.
　　本文針對傳統的熱電阻測量中引起誤差的主要原因,提出一種鉑電阻有源電橋加入正反饋的非.線性校正方法,且給出了改進的實用有源電橋,使“三線制測量”在理論。上可以完全消除引線電阻的影響.
1熱電阻測溫的誤差來源
1.1熱電阻的非線性
　　溫度為0~850℃的條件下,鉑電阻的電阻值Rt與被測溫度t之間的關系為:
Rt=R0(1+At+Bt²)
　　式中:R0為被測溫度為0℃時熱電阻的阻值.對Pt100鉑電阻,A=3.90802X10^-3,B=-5.80195X10^-7.由于二次項的存在,隨著溫度的升高,鉑電阻的非線性越來越嚴重.
1.2不平衡電橋的非線性
　　不平衡電橋測量電路(如圖1所示).在不考慮引線電阻RL的情況下(RL=0),電橋輸出
 
　　但當熱電阻的阻值變化幅度較大時,R△t與(R0+Rb)相比不能忽略,它將造成不平衡電橋的非線性.
1.3引線電阻的影響
　　一般熱電阻的阻值在幾十至幾百歐范圍內變化.熱電阻的引線常處于被測溫度環境,溫度波動較大,其阻值隨溫度的變化難以估計和修正.為了消除導線電阻的影響,引線常采用三線制,使測量
誤差得到了--定的補償,但導線的影響依然存在.如圖1采用三線制測量時，若考慮到引線電阻RL則電橋輸出
 
　　從上式可見,RL仍然對輸出產生影響,并產生非線性.由此產生的誤差為
 
　　對Pt100,Rb=100Ω,假如R=1Ω，則引起的最大誤差為1%,當引線電阻達4~10Ω時,誤差可高達10%.而且RL的大小隨現場施工條件而變化,測量和補償都比較困難.
2精度高溫度測量的方法
2.1鉑電阻有源電橋電路
　　鉑電阻有源電橋電路原理(如圖2所示).
 
　　線方程H0=MI0R0(A+Bt)進行逼近(式中M為常數),此時Ux和t成正比,H0就是理想無誤差時所需的校正系數.根據數值逼近理論中的切比雪夫定理,用一個t的一次多項式(直線方程)逼近式(5),從而求得:
 
　　選RF為68lΩ線繞電位器調至62357Ω,Rf為5IΩ線繞電位器調至2456.2Ω,實驗表明,本校正電路可把非線性誤差改善到0.08%以下.
2.2可完全消除三線制測量時引線電阻影響的改進型實用有源電橋
　　本系統若直接使用圖2電路,因引線存在電阻,而且引線的電阻溫度系數較大,當環境溫度發生變化時,其阻值也隨之發生變化,因而環境溫度變化時會造成較大的測量誤差.可完全消除三線制測量時引線電阻影響的改進型實用有源電橋(如圖3所示).
 
　　比較式(3)和式(9),它們完全相同,從理論.上完全消除了引線電阻的影響.因為引線電阻通常采用的是同種材料、同等長度,故有r1=r2,這樣,只需保證m=1,即Rs=R6,就可完全消除引線電阻的影響,而且無任何限制條件，不影響原電路參數的設計.
3結論
　　用熱電阻作為溫度傳感器進行溫度測量時,常采用三線制接法的橋式測量電路,熱電阻和電橋的非線性及引線電阻都會給測量帶來誤差,為此,采用鉑電阻改進型實用有源線性化橋路,可消除上述各種因素對測量的影響,提高了整個測量系統的精度,滿足了工程應用的需要.