熱電阻四線(xiàn)制連接法在恒流驅動(dòng)中的應用及分析

【摘要】對熱電阻感溫元件四線(xiàn)制加接法在恒流驅動(dòng)電路中的應用作了分析，證明構成恒流源的運放反饋電阻足夠大時(shí)，熱電阻四線(xiàn)制連接法可有效的減小傳感器接線(xiàn)電阻和接插件的接觸電阻變化時(shí)溫度測量讀數的影響。
　　熱電阻作為溫度傳感器得到了廣泛的應用.一般采用二線(xiàn)制或三線(xiàn)制接入驅動(dòng)電路;當需要正確測量溫度或傳感器的引線(xiàn)很長(cháng)時(shí).則采用四線(xiàn)制接人驅動(dòng)電路,以徹底消除傳感器導線(xiàn)電陰和接插件連接處的接觸電阻對測試結果的影響。在恒流驅動(dòng)電路中.熱電陰Rt的兩電流引線(xiàn)接恒流源,兩電壓引線(xiàn)接高阻抗電壓表,如圖1所示.圖中溫度信號輸出電壓直接取自熱電阻兩端:R3R4為兩電流引線(xiàn)的電阻，RI.R2為兩電壓引線(xiàn)電阻.這里引線(xiàn)電阻包括導線(xiàn)電阻和連接件的接觸電阻。由于與Rr并聯(lián)的電壓.表測量支路的阻抗很高.因此漏電流極小.恒流源的電流全部從Rr流過(guò).流過(guò)Rr的電流是一個(gè)常數.在電壓表測量問(wèn)路中，由于輸人阻抗很大.R1和R2上的壓降可以忽略.電壓表上測得的電壓為Rr上.的壓降(只與熱電阻的溫度有關(guān)).這種電路分析比較簡(jiǎn)單.
 
　　另一種恒流驅動(dòng)電路.其輸出電壓并不直接取自熱電阻兩端;對這種形式的電路,有必要作進(jìn)一步的分析。
一. 不直接從熱電阻兩端輸出的恒流驅動(dòng)電路
 
　　在圖2中.熱電阻R接在由運放IC組成的恒流源電路的反饋回路中恒流源給Rr提供一個(gè)恒定電流.運放的輸出為溫度信號的輸出。圖中熱電阻Rr采用-一.線(xiàn)制連接法接入恒流源,r1，與r2為Rr的兩接線(xiàn)電阻(包括導線(xiàn)電阻及接插件的接觸電阻兩部分).運放的開(kāi)環(huán)增益Ao很大時(shí)，運放輸出電壓的表達式為
 
　　若熱電阻在0℃時(shí)阻值為Ro.在任意溫度t時(shí)阻值為
 
　　其中△R為溫度t的線(xiàn)性函數或近似線(xiàn)性函數，在t=0℃時(shí),△R取零值.在實(shí)際測溫中，要求溫度為零時(shí)，輸出電壓為零。為此應調節Rs.Rt的阻值使
 
　　由(4).式知，熱電阻的接線(xiàn)電阻r1和r2將影響輸出信號電壓的大小r1和r2不是恒定的，它們隨環(huán)境溫度以及接插件的連接狀況而變化.月不能通過(guò)校準來(lái)消除掉.因此將引入測試誤差。
二.四線(xiàn)制連接法在恒流驅動(dòng)電路中的應用
　　為了克服上述恒流驅動(dòng)電路中熱電阻的引線(xiàn)電阻的影響，可以采用四線(xiàn)制連接法將熱電阻接人電路(見(jiàn)圖3).其電流引線(xiàn)的電阻為rs和.R4.電壓引線(xiàn)電阻為r1和IC2為下一級放大的運算放大器。假設運放的開(kāi)環(huán)放大倍數Ao=?且下一級放大器的輸入阻抗為無(wú)窮大.圖3的等效電路圖可簡(jiǎn)化為圖4的形式。
 
　　圖中V.n為反相端電壓，Vp為同相端電壓.I為Rr中流過(guò)的電流，Vr為Rr上的壓降，Veu,為輸出電壓:由于A(yíng)o=?,在Rr和R。+r3構成的負反饋網(wǎng)絡(luò )的作用下。Vn=Vp,運放輸入阻抗上的電壓為零.沒(méi)有電流流過(guò).與它串接的引線(xiàn)電阻r1上也無(wú)電流流過(guò).其上壓降為零,所以圖4中不予考慮.同樣,由于下級放大器的輸人阻抗為無(wú)窮大,無(wú)電流流過(guò),與它串接的引線(xiàn)電阻r2也沒(méi)有電流流過(guò).其壓降為零,在圖4中也不子考慮。由圖4很容易導出
 
　　由(11)式看出.輸出電壓與熱電阻的變化量AR呈線(xiàn)性關(guān)系。若熱電阻阻值與溫度變化也呈線(xiàn)性關(guān)系，則輸出電壓與溫度呈線(xiàn)性關(guān)系。由(9)式求差分得到引線(xiàn)電阻變化引起的輸出變化為
 
(14)式給出引線(xiàn)電阻變化引起的溫度誤差。從(14)看出.采用四線(xiàn)制接線(xiàn)法以后.只有引線(xiàn)電阻r1的變化值△r3會(huì )產(chǎn)生溫度誤差.該誤差與電阻Ra成反比。為了使誤差盡可能小。應采用較大阻值的R.但R。不能太大。否則流過(guò)Rr的電流將減小,使輸出信號電壓減小，因此R.的選擇應折中考慮。
　　在實(shí)際工作中.我們設計了一個(gè)驅動(dòng)熱電阻的恒流源電路(見(jiàn)圖5).由穩壓電源輸出的-7.5V電壓.經(jīng)電阻R和2DW7C型精密穩壓管D構成的穩壓器再次穩壓后，給恒流源提供一6.2V的高穩定的基準電壓源E;熱電阻Rr采用四線(xiàn)制接人恒流源電路.引線(xiàn)長(cháng)2米.用插頭座與電路連接,Rb與Re的比例關(guān)系可通過(guò)電位.器調節.用以滿(mǎn)足溫度為零輸出為零的條件.Rr為銅熱電阻，其零度阻值為Ro=20歐，在0~100℃范圍內.具有非常理想的線(xiàn)性關(guān)系:溫度每變化1度.電阻變化0.085歐。
 
　　為了驗證四線(xiàn)制連接法的作用(測試溫度為零).在四線(xiàn)中分別依次串入0.1歐的電阻來(lái)模擬引線(xiàn)電阻的變化.結果發(fā)現溫度指示無(wú)變化.若用(14)式計算,其對應的溫度誤差為
 
　　這一誤差已超出實(shí)驗裝置溫度指示的靈敏度范圍.實(shí)驗裝置的溫度指示的分腓率為0.1℃.從這里可以看出.四線(xiàn)制連接法有效地消除了引線(xiàn)電阻變化所帶來(lái)的測溫誤差。
四.結論
　　在運算放大器輸出端輸出溫度信號的恒流源驅動(dòng)電路中,采用四線(xiàn)制連接法把熱電阻接入電路,能有效地減小引線(xiàn)電阻變化引起的溫度誤差,這種方法可以完全消除兩電壓引線(xiàn)電阻和一電流引線(xiàn)電阻變化產(chǎn)生的誤差、另一電.流引線(xiàn)可引起的誤差也可大大降低。為了減小引線(xiàn)帶來(lái)的測溫誤差,應使運算放大器反饋網(wǎng)絡(luò )中的電阻R。取足夠大的阻值。