基于恒压分压式三线制的热电阻测量电路设计

　　，其中用金属铂做成的热电阻因具有稳定性高、精度高、测温范围大等优点，而被大范围的应用。测量温度的热电阻测温仪主要由热电阻传感器、测量显示仪表及连接导线组成。由于热电阻传感器自身的温度灵敏度较低，连接导线所具有的线路电阻对测量结果影响不容忽视，针对使用中出现的三线制平衡电桥温度测温不准确问题，本文提出了一种与测量导线电阻无关的恒压分压式三线制热电阻测温方法。电路简单，实现方便，可完全消除导线.常用热电阻测量方法分析

　　对于Pt100铂热电阻，国际温标BS-90中给出其阻值随温度变化关系如式(1)所示。

　　式中，Rt为热电阻在温度为t℃时的阻值，R0为热电阻在温度为0℃时的阻值，R0=100 Ω，A=3.968 47×10-3℃-1，B=-5.847x10-7℃-2，C=-4.22x10-12℃-3是与传感器自身相关的系数。

　　电路原理如图1所示。Rt为测温电阻，r为连接导线 Ω，VR为基准参考电压，G为测量仪表。在该电路中，3根导线分别连接传感器桥臂、电阻桥臂和输出端。采用这样的解决方法可以很容易地测出待测电阻Rt。但是，在实际使用时，温度传感器和测温电路之间往往有一定距离，连接导线 Ω/m，连接导线电阻r所引起的测量误差不能忽视。

　　，考虑线路电阻时，电桥输出Vc=VR(Rt+r)/(R1+Rt+r)-VR(R3+r)/(R2+R3+r)，假设电桥在Rt=Rx时电桥平衡，即R2Rx=R1R3，且满足桥臂电阻R1=R2=R3=Rx=R，当Rt发生△R变化时，即Rt=R+△R，可计算出此时电桥因线路电阻r的存在造成的误差为：

　　可以看出导线电阻r影响Rt的测量结果，并且无法通过调零电路完全消除。基于以上分析，提出了一种可完全消除导线误差的恒压分压式三线制

　　这里所使用的恒压分压式三线制法测电阻可以排除导线电阻的干扰，其等效原理图如图2所示。其中Rt为热电阻。r为导线等效电阻。VR为基准参考电压，VAD

　　从式(3)可以看出：在已知RV和VR的情况下，欲求Rt只需测出V2和V1，而与导线电阻r没有关系。且测量精度只取决于RV的精度与V1，V2的测量精度。在电桥法中无法消除的导线电阻在恒压分压式三线制方法中被完全消除。

　　通过时，会引起自身温度升高，所以必须考虑其本身自热误差，即必须考虑流过热电阻的电流所引起的升温误差。常用的Pt100热电阻驱动电流约为1 mA。0℃时相当于自热功率约0.1 mW，在高精度测量时，应进一步降低自热功率，减小自热误差。这里设置VR=2.5V，RV=10kΩ，则自热功率约为0.006 mW。

　　与三线数值较小，还应加入一级电压放大后，再进行A/D转换。参考电压VR一般由精密恒压源提供稳定的电压信号

　　元器件个体而异，特别是在批量生产时元器件的精度难以保证统一，因此对一个具体输入电路而言，还需考虑β和RV带来的误差。为了消除β和RV带来的误差，可以通过标定法，在仪表生产时进行自动标定计算，求得实际电路的β和RV值，再将这两个参数记录在仪表的非易失存储器中，在仪表进行温度测量时，读取该参数按式(1)进行计算，从而得到精确的测量温度。如果把图2中长导线用尽可能短的导线代替(即r=O)，并以精密电阻R代替热电阻Rt，VAD是A/D转换器的参考电压，β为电压放大倍数，其余部分保持不变，则有：

　　在式(4)中，R是已知阻值的精密电阻;D是A/D转换的结果，该结果可方便地从仪表显示装置中读出;VR与VAD是基准电压，为恒定的常量;β为电路的总放大倍数;K是A/D转换的比例因子，如对于14位的A/D转换器，K=214。那么式(2)中只有2个未知数RV和β。对于一个具体输入电路，如果取2个阻值已知的精密电阻R1、R2分别接入图2所示电路进行标定(标定时，尽量使r=0)，就可以得到一个二元一次方程组。这样，对于一个具体输入电路而言，可从方程组解出β和RV，其结果如下：

　　上述标定办法能够总结为：2个阻值已知的精密标准电阻R1、R2分别接仪表的输入端，且使用连接导线的电阻尽量减小，这时记录仪表读数D1与D2，代入式(5)即可计算出所标定仪表的未知参数β和RV。在使用中，建议将VR与VAD使用同一个基准源，这样式(5)中β的计算就与参考电压的精度无关。这种方法减小了不同基准源之间的差异，特别是减小了不同基准的时漂与温漂的影响。

　　ICL7135的A/D转换结果通过串行方式与单片机相连，可以大大节约单片机的IO口。该电路在标定时，使用标准电阻100Ω与300Ω进行标定，将标定结果β和RV存入单片机系统的EEPROM中。在实际测量中，单片机系统将β和RV取出，作为已知值，由式(3)计算出电阻Rt值。图3 恒压分压式三线制法测量及A/D转换电路

　　从表1中能够准确的看出，由于三线制平衡电桥法理论测量结果即存在较大误差，且随线路电阻r的增加，引起的误差越大，随待测热电阻阻值增大，绝对误差也呈增大的均势。表1中，最大相对误差为被测电阻Rt=300 Ω，线%。本文采用改进后的三线制法的实测结果在所测数据范围内最大绝对误差只有0.3 Ω，最大相对误差为±0.1%。电路使用的A/D转换器仅相当于14位的A/D转换精度，若使用更高精度的A/D转换器，可达到更高的测量精度。在实际的热电阻传感器测温仪表中，还需加入由被测电阻转换为对应温度的相关程序。即在测量得到Rt后，由式(1)计算即可精确求解出实际的温度值。

　　接口电路。最终对所设计电路的测试精度做试验测定，试验表明，三线制平衡电桥法测标准电阻值在100～300Ω，线%，而平衡三线%。从而获得了高精度的三线制热电阻测量电路。