基于三線制的高精度熱電阻測(cè)量電路設(shè)計(jì)

熱電阻傳感器是一種電阻值隨環(huán)境溫度變化而改變的溫度傳感器，其中用金屬鉑做成的熱電阻因具有穩(wěn)定性好、精度高、測(cè)溫范圍大等優(yōu)點(diǎn)，而被廣泛應(yīng)用。測(cè)量溫度的熱電阻測(cè)溫儀主要由熱電阻傳感器、測(cè)量顯示儀表及連接導(dǎo)線組成。由于熱電阻傳感器自身的溫度靈敏度較低，連接導(dǎo)線所具有的線路電阻對(duì)測(cè)量結(jié)果影響不容忽視，為了消除導(dǎo)線電阻的影響，熱電阻測(cè)溫儀廣泛采用平衡電橋式三線制接法，這種方法使溫度誤差得到一定的補(bǔ)償，但線路電阻的影響依然存在。提出基于恒壓分壓式三線制導(dǎo)線電阻補(bǔ)償方法，電路簡單，實(shí)現(xiàn)方便，可完全消除導(dǎo)線電阻的影響。相比于文獻(xiàn)所提出的使用較多的硬件電路進(jìn)行導(dǎo)線電阻補(bǔ)償方法，該方法具有更加簡潔的導(dǎo)線電阻補(bǔ)償電路。

1 常用熱電阻測(cè)量方法分析
對(duì)于Pt100鉑熱電阻，國際溫標(biāo)BS-90中給出其阻值隨溫度變化關(guān)系如式(1)所示。

式中，Rt為熱電阻在溫度為t℃時(shí)的阻值，R0為熱電阻在溫度為0℃時(shí)的阻值，R0=100 Ω，A=3．968 47×10-3℃-1，B=-5．847x10-7℃-2，C=-4．22x10-12℃-3是與傳感器自身相關(guān)的系數(shù)。
由式(1)可知，Pt100熱電阻的靈敏度約為0．38 Ω／℃，為減小連接導(dǎo)線的線路電阻對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，一般常用三線制電橋法進(jìn)行測(cè)量。VR=1 V其電路原理如圖1所示。Rt為測(cè)溫電阻，r為連接導(dǎo)線電阻，R1、R2、R3為固定橋臂，R1=R2=1 000 Ω，R3=100 Ω，VR為基準(zhǔn)參考電壓，G為測(cè)量儀表。在該電路中，3根導(dǎo)線分別連接傳感器橋臂、電阻橋臂和輸出端。采用這個(gè)方法可以很容易地測(cè)出待測(cè)電阻Rt。但是，在實(shí)際使用時(shí)，溫度傳感器和測(cè)溫電路之間往往有一定距離，連接導(dǎo)線的電阻率約為0．1～0．5 Ω／m，連接導(dǎo)線電阻r所引起的測(cè)量誤差不能忽視。

如圖1所示的電橋，在不考慮線路電阻r時(shí)，電橋的輸出為：，考慮線路電阻時(shí)，電橋輸出Vc=VR(Rt+r)／(R1+Rt+r)-VR(R3+r)／(R2+R3+r)，假設(shè)電橋在Rt=Rx時(shí)電橋平衡，即R2Rx=R1R3，且滿足橋臂電阻R1=R2=R3=Rx=R，當(dāng)Rt發(fā)生△R變化時(shí)，即Rt=R+△R，可計(jì)算出此時(shí)電橋因線路電阻r的存在造成的誤差為：

可以看出導(dǎo)線電阻r影響Rt的測(cè)量結(jié)果，并且無法通過調(diào)零電路完全消除。基于以上分析，提出了一種可完全消除導(dǎo)線誤差的恒壓分壓式三線制高精度前置電路。

2 恒壓分壓式三線制測(cè)量電路
2．1 測(cè)量原理
這里所使用的恒壓分壓式三線制法測(cè)電阻可以排除導(dǎo)線電阻的干擾，其等效原理圖如圖2所示。其中Rt為熱電阻。r為導(dǎo)線等效電阻。VR為基準(zhǔn)參考電壓，VAD是A／D轉(zhuǎn)換器的參考電壓，β為電壓放大倍數(shù)。