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(xiàn)性不平衡電橋的非線(xiàn)性及引線(xiàn)電阻都給測量帶來(lái)誤差.本文采用鉑電阻改進(jìn)型實(shí)用有源線(xiàn)性化橋路克服了上述誤差,實(shí)現了精度高的溫度測量.
0引言
　　溫度的精度高測量是工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的一個(gè)重要問(wèn)題.目前使用比較廣泛的溫度傳感器有4類(lèi):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(yōu)點(diǎn),成為工業(yè)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(gè)橋臂.上,通過(guò)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(xiàn)性和不平衡電橋的非線(xiàn)性,會(huì )給測量帶來(lái)誤差而且,鉑電阻作為溫度傳感器使用時(shí),必須把它放在測溫現場(chǎng),從測溫點(diǎn)到測量變換電路之間的布線(xiàn)長(cháng)度少則幾米，多則幾十米甚至上百米,這樣長(cháng)的連接導線(xiàn),即使不計熱噪電阻,它自身的引線(xiàn)電阻也是相當可觀(guān).的.如50~100m長(cháng)的連接導線(xiàn),引線(xiàn)電阻--般為4~10Ω.而對常用的Pt100鉑電阻來(lái)說(shuō),溫度的變化率約為0.391Ω2/℃,與該變化率相比,引線(xiàn)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(xiàn)性校正方法,且給出了改進(jìn)的實(shí)用有源電橋,使“三線(xiàn)制測量”在理論。上可以完全消除引線(xiàn)電阻的影響.
1熱電阻測溫的誤差來(lái)源
1.1熱電阻的非線(xiàn)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(guān)系為:
Rt=R0(1+At+Bt²)
　　式中:R0為被測溫度為0℃時(shí)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(zhù)溫度的升高,鉑電阻的非線(xiàn)性越來(lái)越嚴重.
1.2不平衡電橋的非線(xiàn)性
　　不平衡電橋測量電路(如圖1所示).在不考慮引線(xiàn)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(shí),R△t與(R0+Rb)相比不能忽略,它將造成不平衡電橋的非線(xiàn)性.
1.3引線(xiàn)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(xiàn)常處于被測溫度環(huán)境,溫度波動(dòng)較大,其阻值隨溫度的變化難以估計和修正.為了消除導線(xiàn)電阻的影響,引線(xiàn)常采用三線(xiàn)制,使測量
誤差得到了--定的補償,但導線(xiàn)的影響依然存在.如圖1采用三線(xiàn)制測量時(shí)，若考慮到引線(xiàn)電阻RL則電橋輸出
 
　　從上式可見(jiàn),RL仍然對輸出產(chǎn)生影響,并產(chǎn)生非線(xiàn)性.由此產(chǎn)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(xiàn)電阻達4~10Ω時(shí),誤差可高達10%.而且RL的大小隨現場(chǎng)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(xiàn)方程H0=MI0R0(A+Bt)進(jìn)行逼近(式中M為常數),此時(shí)Ux和t成正比,H0就是理想無(wú)誤差時(shí)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(gè)t的一次多項式(直線(xiàn)方程)逼近式(5),從而求得:
 
　　選RF為68lΩ線(xiàn)繞電位器調至62357Ω,Rf為5IΩ線(xiàn)繞電位器調至2456.2Ω,實(shí)驗表明,本校正電路可把非線(xiàn)性誤差改善到0.08%以下.
2.2可完全消除三線(xiàn)制測量時(shí)引線(xiàn)電阻影響的改進(jìn)型實(shí)用有源電橋
　　本系統若直接使用圖2電路,因引線(xiàn)存在電阻,而且引線(xiàn)的電阻溫度系數較大,當環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí),其阻值也隨之發(fā)生變化,因而環(huán)境溫度變化時(shí)會(huì )造成較大的測量誤差.可完全消除三線(xiàn)制測量時(shí)引線(xiàn)電阻影響的改進(jìn)型實(shí)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(xiàn)電阻的影響.因為引線(xiàn)電阻通常采用的是同種材料、同等長(cháng)度,故有r1=r2,這樣,只需保證m=1,即Rs=R6,就可完全消除引線(xiàn)電阻的影響,而且無(wú)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(jìn)行溫度測量時(shí),常采用三線(xiàn)制接法的橋式測量電路,熱電阻和電橋的非線(xiàn)性及引線(xiàn)電阻都會(huì )給測量帶來(lái)誤差,為此,采用鉑電阻改進(jìn)型實(shí)用有源線(xiàn)性化橋路,可消除上述各種因素對測量的影響,提高了整個(gè)測量系統的精度,滿(mǎn)足了工程應用的需要.