熱電阻測溫電路非線(xiàn)性補償

摘要:介紹了二種電路線(xiàn)性化方法,較好補償了測量電橋的非線(xiàn)性。在較寬溫度范圍內,滿(mǎn)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(diǎn)漂移和熱零點(diǎn)漂移等。在測溫儀表電路設計中,對熱電阻傳感器和測量橋路非線(xiàn)性進(jìn)行有效的補償。下面專(zhuān)門(mén)就熱電阻測溫儀線(xiàn)性化問(wèn)題進(jìn)行討論。
1測量電路二種線(xiàn)性化方法
1.1鉑電阻傳感器及測量橋路非線(xiàn)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0~850℃時(shí)，
Rt=R0(1+At+Bt²)(1)
　　式中A,B為常數;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(zhù)溫度的增高，R:電阻值的增長(cháng)率有所下降。
(2)在電阻測量電橋中,當Rt值變化時(shí),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(xiàn)性。如圖2實(shí)線(xiàn)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(shí),即被測溫度t=t0,電橋平衡,其輸出電壓Um=0,則
R1=R2=R3=Rt=R0.
　　當被測溫度t變化時(shí)產(chǎn)生△t,Rt隨之產(chǎn)生△R,此時(shí)橋路輸出電壓Um為
 
　　可見(jiàn)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(xiàn)性化方法
　　對上述兩種原因造成非線(xiàn)性進(jìn)行補償,現介紹兩種測溫電路線(xiàn)性方法。
1.2.1正反饋補償電路法
　　測量橋路后級負反饋線(xiàn)性放大器增加適量的正反饋,補償Um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(jiàn),Um值與橋路供電源Eo正比.即提高OEo,增加△Um。F為高穩定性線(xiàn)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1=t0時(shí),測量橋路平衡,Um=0,F放大器輸出Up0=0,可通過(guò)調正R11和R13來(lái)達到工作電路.上述初始狀態(tài)。當1>t0時(shí),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(guò)反饋放大器N產(chǎn)生一個(gè)更負值UN電壓，使晶體管導通,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1增大時(shí),Um下降產(chǎn)生的非線(xiàn)性。正反饋補償電路法補償曲線(xiàn)如圖2虛線(xiàn)。
　　這種測量電路線(xiàn)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(xiàn)性。在電路設計時(shí)首先要把電路的初始狀態(tài)調整好,即電阻橋路供電電源為負值(-UH),選用零漂移線(xiàn)性放大器,盡量減小放大器的零點(diǎn)漂移和熱零點(diǎn)漂移。
1.2.2六端電橋非線(xiàn)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(shí)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轉換器成為后續環(huán)節中進(jìn)行非線(xiàn)性補償的依據
設A/D轉換器的特性為
 
計在0℃時(shí)電阻值。在式(5)中分母含有Rt的相關(guān)項隨著(zhù)Rt增加,N中將有一個(gè)逐步遞增的補償量,可以補償測量橋路非線(xiàn)性。六端電橋非線(xiàn)性補償法補償曲線(xiàn)如圖5中虛線(xiàn)。
 
上述線(xiàn)性化方案,在測溫儀器的整體方案設計中要考慮以下問(wèn)題
(1)選用合適的AD轉換器
　　選用AD轉換器，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(dòng)比率式A/D轉換器。例如CH7126雙積分式A/D轉換器,A/D轉換器可直接與橋路相連接,失調電壓和溫度系數都很小。
(2)關(guān)于橋路電源與元件要求
　　從式(6)可見(jiàn),在A(yíng)D轉換器確定之后,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(wú)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經(jīng)老化篩選,保證電阻值長(cháng)期穩定。
2結束語(yǔ)
　　重點(diǎn)討論了由于電阻溫度計和測量電阻橋路,隨著(zhù)測溫度1增大時(shí),將產(chǎn)生非線(xiàn)性誤差。還介紹了對測量橋路非線(xiàn)性進(jìn)行補償的兩種線(xiàn)性化的方法。該方法都能把補償前1%的非線(xiàn)性誤差變?yōu)檠a償后0.1%非線(xiàn)性的誤差?？刹捎脠D3所示正反饋補償電路通過(guò)調正R11和R13,改變電橋供電源Un就能完全補償橋路非線(xiàn)性?；虿捎脠D4所示六端電橋補償電路,通過(guò)選擇橋路電阻值,也能補償橋路非線(xiàn)性.來(lái)達到上述最小非線(xiàn)性誤差。該方法可用作解決熱電阻測溫儀線(xiàn)性化手段。