一种热电阻温度测量的全补偿方法

[摘要]热电阻温度测量中热电阻的非线性不平衡电桥的非线性及引线电阻都给测量带来误差.本文采用铂电阻改进型实用有源线性化桥路克服了上述误差,实现了精度高的温度测量.
0引言
　　温度的精度高测量是工业生产领域的一个重要问题.目前使用比较广泛的温度传感器有4类:热电阻、热电偶、热敏电阻及集成温度传感器.热电阻温度传感器中的铂热电阻以其精度高、性能稳定、互换性好、耐腐蚀及使用方便等优点,成为工业测控系统中广泛使用的一种比较理想的测温元件.热电阻测温的常规方法是将热电阻接到电桥的一个桥臂.上,通过测量不平衡电桥的输出得到温度值.在这种方法中,铂电阻的非线性和不平衡电桥的非线性,会给测量带来误差而且,铂电阻作为温度传感器使用时,必须把它放在测温现场,从测温点到测量变换电路之间的布线长度少则几米，多则几十米甚至上百米,这样长的连接导线,即使不计热噪电阻,它自身的引线电阻也是相当可观.的.如50~100m长的连接导线,引线电阻--般为4~10Ω.而对常用的Pt100铂电阻来说,温度的变化率约为0.391Ω2/℃,与该变化率相比,引线电阻对测量精度的影响也很大.
　　本文针对传统的热电阻测量中引起误差的主要原因,提出一种铂电阻有源电桥加入正反馈的非.线性校正方法,且给出了改进的实用有源电桥,使“三线制测量”在理论。上可以完全消除引线电阻的影响.
1热电阻测温的误差来源
1.1热电阻的非线性
　　温度为0~850℃的条件下,铂电阻的电阻值Rt与被测温度t之间的关系为:
Rt=R0(1+At+Bt²)
　　式中:R0为被测温度为0℃时热电阻的阻值.对Pt100铂电阻,A=3.90802X10^-3,B=-5.80195X10^-7.由于二次项的存在,随着温度的升高,铂电阻的非线性越来越严重.
1.2不平衡电桥的非线性
　　不平衡电桥测量电路(如图1所示).在不考虑引线电阻RL的情况下(RL=0),电桥输出
 
　　但当热电阻的阻值变化幅度较大时,R△t与(R0+Rb)相比不能忽略,它将造成不平衡电桥的非线性.
1.3引线电阻的影响
　　一般热电阻的阻值在几十至几百欧范围内变化.热电阻的引线常处于被测温度环境,温度波动较大,其阻值随温度的变化难以估计和修正.为了消除导线电阻的影响,引线常采用三线制,使测量
误差得到了--定的补偿,但导线的影响依然存在.如图1采用三线制测量时，若考虑到引线电阻RL则电桥输出
 
　　从上式可见,RL仍然对输出产生影响,并产生非线性.由此产生的误差为
 
　　对Pt100,Rb=100Ω,假如R=1Ω，则引起的最大误差为1%,当引线电阻达4~10Ω时,误差可高达10%.而且RL的大小随现场施工条件而变化,测量和补偿都比较困难.
2精度高温度测量的方法
2.1铂电阻有源电桥电路
　　铂电阻有源电桥电路原理(如图2所示).
 
　　线方程H0=MI0R0(A+Bt)进行逼近(式中M为常数),此时Ux和t成正比,H0就是理想无误差时所需的校正系数.根据数值逼近理论中的切比雪夫定理,用一个t的一次多项式(直线方程)逼近式(5),从而求得:
 
　　选RF为68lΩ线绕电位器调至62357Ω,Rf为5IΩ线绕电位器调至2456.2Ω,实验表明,本校正电路可把非线性误差改善到0.08%以下.
2.2可完全消除三线制测量时引线电阻影响的改进型实用有源电桥
　　本系统若直接使用图2电路,因引线存在电阻,而且引线的电阻温度系数较大,当环境温度发生变化时,其阻值也随之发生变化,因而环境温度变化时会造成较大的测量误差.可完全消除三线制测量时引线电阻影响的改进型实用有源电桥(如图3所示).
 
　　比较式(3)和式(9),它们完全相同,从理论.上完全消除了引线电阻的影响.因为引线电阻通常采用的是同种材料、同等长度,故有r1=r2,这样,只需保证m=1,即Rs=R6,就可完全消除引线电阻的影响,而且无任何限制条件，不影响原电路参数的设计.
3结论
　　用热电阻作为温度传感器进行温度测量时,常采用三线制接法的桥式测量电路,热电阻和电桥的非线性及引线电阻都会给测量带来误差,为此,采用铂电阻改进型实用有源线性化桥路,可消除上述各种因素对测量的影响,提高了整个测量系统的精度,满足了工程应用的需要.