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基于三线制的高精度热电阻测量电路设计

作者:时间:2011-03-10来源:网络收藏

由欧姆定律可得基本关系式:

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。且精度只取决于RV的精度与V1,V2的精度。在电桥法中无法消除的导线电阻在恒压分压式制方法中被完全消除。
由于当有电流通过时,会引起自身温度升高,所以必须考虑其本身自热误差,即必须考虑流过的电流所引起的升温误差。常用的Pt100驱动电流约为1 mA。0℃时相当于自热功率约0.1 mW,在时,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。
2.2 提高测量精度措施
制平衡电桥法相拟,图2所示的电路输出电压V1与V2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,此外单片机软件在数学计算上选择适当的算法和字长时,该计算误差也可不计。但放大电路的放大倍数β和RV会因元器件个体而异,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:

上述标定方法可以总结为: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。
2.3 测量电路
图3是Pt100温度测量系统的前置输入电路部分,其中Pt100基准电压与A/D转换器ICL7135的基准电压为同一电压基准源,Pt100的2路测量输入信号V1与V2采用同一运算放大器放大(1+R3/R4)倍后进入A/D转换器,使用微型继电器K1进行通道选择,这种方法共用运算放大器、A/D转换器、基准电压源,减小了不同器件之间的差异对测量结果的影响。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。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/162332.htm

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