基于三线制的高精度热电阻测量电路设计
摘要: 针对使用中出现的三线制平衡电桥温度测温不准确问题,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。在分析了三线制平衡电桥法的基础上,提出了测量电路模型，描述了消除导线电阻的测量方法，分析了提高测量精度的措施，推导出了数字校准公式。使用通用运算放大器OP07与14位分辨率双积分型A/D转换器ICL7135设计了简洁的输入检测电路。经实验验证，该电路对于Pt100热电阻,导线电阻在0～20 Ω范围内,热电阻测量误差将优于±0.1%。
热电阻传感器是一种电阻值随环境温度变化而改变的温度传感器，其中用金属铂做成的热电阻因具有稳定性好、精度高、测温范围大等优点，而被广泛应用。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，为了消除导线电阻的影响，热电阻测温仪广泛采用平衡电桥式三线制接法，这种方法使温度误差得到一定的补偿，但线路电阻的影响依然存在。提出基于恒压分压式三线制导线电阻补偿方法，电路简单，实现方便，可完全消除导线电阻的影响。相比于文献所提出的使用较多的硬件电路进行导线电阻补偿方法，该方法具有更加简洁的导线电阻补偿电路。
1 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。
由式(1)可知，Pt100热电阻的灵敏度约为0．38 Ω／℃，为减小连接导线的线路电阻对测量结果的影响，一般常用三线制电桥法进行测量。VR=1 V其电路原理如图1所示。Rt为测温电阻，r为连接导线电阻，R1、R2、R3为固定桥臂，R1=R2=1 000 Ω，R3=100 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。采用这个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，连接导线的电阻率约为0．1～0．5 Ω／m，连接导线电阻r所引起的测量误差不能忽视。
如图1所示的电桥，在不考虑线路电阻r时，电桥的输出为：V‘c=VRRt／(R1+Rt)-VRR3／(R2+R3)，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高精度前置电路。
