熱電阻測溫電路非線性補償

摘要:介紹了二種電路線性化方法,較好補償了測量電橋的非線性。在較寬溫度范圍內(nèi),滿足精密測溫精度和可靠性的要求。該方法在各種非電量測量檢測技術(shù)中得到應(yīng)用。
0.前言
　　對于熱電阻測溫儀器,其基本要求是具有較高信號處理精度,較小的零點漂移和熱零點漂移等。在測溫儀表電路設(shè)計中,對熱電阻傳感器和測量橋路非線性進(jìn)行有效的補償。下面專門就熱電阻測溫儀線性化問題進(jìn)行討論。
1測量電路二種線性化方法
1.1鉑電阻傳感器及測量橋路非線性
(1)鉑電阻溫度計電阻元件的電阻值-溫度特性凹,如圖1所示。
 
當(dāng)0~850℃時，
Rt=R0(1+At+Bt²)(1)
　　式中A,B為常數(shù);Rt,R0分別為在t℃和0℃鉑電阻溫度計電阻值;t是攝氏溫度。從圖1看出隨著溫度的增高，R:電阻值的增長率有所下降。
(2)在電阻測量電橋中,當(dāng)Rt值變化時,將引起橋路支路電流變化,進(jìn)--步引起橋路輸出電壓Um變化的非線性。如圖2實線所示。
 
　　圖3示出了正反饋補償電路。
 
　　在圖3中,等臂電阻測量橋靜態(tài)時,即被測溫度t=t0,電橋平衡,其輸出電壓Um=0,則
R1=R2=R3=Rt=R0.
　　當(dāng)被測溫度t變化時產(chǎn)生△t,Rt隨之產(chǎn)生△R,此時橋路輸出電壓Um為
 
　　可見這種測量橋路的輸出電壓Um隨被測溫度t增加將產(chǎn)生較大的偏差
1.2測溫電路線性化方法
　　對上述兩種原因造成非線性進(jìn)行補償,現(xiàn)介紹兩種測溫電路線性方法。
1.2.1正反饋補償電路法
　　測量橋路后級負(fù)反饋線性放大器增加適量的正反饋,補償U(kuò)m隨t增大而減小部份.電路工作原理如圖3所示。從式(4)中可見,Um值與橋路供電源Eo正比.即提高OEo,增加△Um。F為高穩(wěn)定性線性放大器,N為反饋放大器。電阻橋路由晶體管G射極供電。.正反饋工作電路工作原理:當(dāng)1=t0時,測量橋路平衡,Um=0,F放大器輸出Up0=0,可通過調(diào)正R11和R13來達(dá)到工作電路.上述初始狀態(tài)。當(dāng)1>t0時,測量橋路失去平衡，產(chǎn)生△Um,即測量橋輸出.△Um,經(jīng)放大器F產(chǎn)生正△UF電壓,通過反饋放大器N產(chǎn)生一個更負(fù)值UN電壓，使晶體管導(dǎo)通,Uce減小，使電阻橋供電壓UH增大,產(chǎn)生增量△Um,這就補償了當(dāng)1增大時,Um下降產(chǎn)生的非線性。正反饋補償電路法補償曲線如圖2虛線。
　　這種測量電路線性化是提升測量橋供電電壓而引入正反饋方式補償電阻橋路產(chǎn)生的非線性。在電路設(shè)計時首先要把電路的初始狀態(tài)調(diào)整好,即電阻橋路供電電源為負(fù)值(-UH),選用零漂移線性放大器,盡量減小放大器的零點漂移和熱零點漂移。
1.2.2六端電橋非線性補償法
　　由普通四端電橋改為如圖4所示六端電橋。
 
　　除了給出反映Rt變化的電壓信號Uin之外,該電橋還同時給出電壓信號UR,UR與Rt的變化和含Rt支路電流變化相關(guān)聯(lián),UR與Uin-并送入后級A/D轉(zhuǎn)換器成為后續(xù)環(huán)節(jié)中進(jìn)行非線性補償?shù)囊罁?jù)
設(shè)A/D轉(zhuǎn)換器的特性為
 
計在0℃時電阻值。在式(5)中分母含有Rt的相關(guān)項隨著Rt增加,N中將有一個逐步遞增的補償量,可以補償測量橋路非線性。六端電橋非線性補償法補償曲線如圖5中虛線。
 
上述線性化方案,在測溫儀器的整體方案設(shè)計中要考慮以下問題
(1)選用合適的AD轉(zhuǎn)換器
　　選用AD轉(zhuǎn)換器，除了考慮精度高,低漂移,低功功耗等要求之外,方案要求輸入可浮動比率式A/D轉(zhuǎn)換器。例如CH7126雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器,A/D轉(zhuǎn)換器可直接與橋路相連接,失調(diào)電壓和溫度系數(shù)都很小。
(2)關(guān)于橋路電源與元件要求
　　從式(6)可見,在AD轉(zhuǎn)換器確定之后,N-Rt關(guān)系僅取決于一系列橋路電阻,與橋路電源電壓大小無關(guān)。因此可以使用一-般的電壓源,不需要使用精度高電壓源。
　　電橋內(nèi)的電阻元件性能直接影響到測溫儀器的精度,所以橋路的電阻元件應(yīng)經(jīng)老化篩選,保證電阻值長期穩(wěn)定。
2結(jié)束語
　　重點討論了由于電阻溫度計和測量電阻橋路,隨著測溫度1增大時,將產(chǎn)生非線性誤差。還介紹了對測量橋路非線性進(jìn)行補償?shù)膬煞N線性化的方法。該方法都能把補償前1%的非線性誤差變?yōu)檠a償后0.1%非線性的誤差。可采用圖3所示正反饋補償電路通過調(diào)正R11和R13,改變電橋供電源Un就能完全補償橋路非線性。或采用圖4所示六端電橋補償電路,通過選擇橋路電阻值,也能補償橋路非線性.來達(dá)到上述最小非線性誤差。該方法可用作解決熱電阻測溫儀線性化手段。