熱電阻測溫電路非線性補(bǔ)償

摘要:介紹了二種電路線性化方法,較好補(bǔ)償了測量電橋的非線性。在較寬溫度范圍內(nèi),滿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(yīng)用。
0.前言
　　對(duì)于熱電阻測溫儀器,其基本要求是具有較高信號(hào)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(shè)計(jì)中,對(duì)熱電阻傳感器和測量橋路非線性進(jìn)行有效的補(bǔ)償。下面專門就熱電阻測溫儀線性化問題進(jìn)行討論。
1測量電路二種線性化方法
1.1鉑電阻傳感器及測量橋路非線性
(1)鉑電阻溫度計(jì)電阻元件的電阻值-溫度特性凹,如圖1所示。
 
當(dāng)0~850℃時(shí)，
Rt=R0(1+At+Bt²)(1)
　　式中A,B為常數(shù);Rt,R0分別為在t℃和0℃鉑電阻溫度計(jì)電阻值;t是攝氏溫度。從圖1看出隨著溫度的增高，R:電阻值的增長率有所下降。
(2)在電阻測量電橋中,當(dāng)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變化的非線性。如圖2實(shí)線所示。
 
　　圖3示出了正反饋補(bǔ)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(dāng)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測溫電路線性化方法
　　對(duì)上述兩種原因造成非線性進(jìn)行補(bǔ)償,現(xiàn)介紹兩種測溫電路線性方法。
1.2.1正反饋補(bǔ)償電路法
　　測量橋路后級(jí)負(fù)反饋線性放大器增加適量的正反饋,補(bǔ)償U(kuò)m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,Um值與橋路供電源Eo正比.即提高OEo,增加△Um。F為高穩(wěn)定性線性放大器,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(dāng)1=t0時(shí),測量橋路平衡,Um=0,F放大器輸出Up0=0,可通過調(diào)正R11和R13來達(dá)到工作電路.上述初始狀態(tài)。當(dāng)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,通過反饋放大器N產(chǎn)生一個(gè)更負(fù)值UN電壓，使晶體管導(dǎo)通,Uce減小，使電阻橋供電壓UH增大,產(chǎn)生增量△Um,這就補(bǔ)償了當(dāng)1增大時(shí),Um下降產(chǎn)生的非線性。正反饋補(bǔ)償電路法補(bǔ)償曲線如圖2虛線。
　　這種測量電路線性化是提升測量橋供電電壓而引入正反饋方式補(bǔ)償電阻橋路產(chǎn)生的非線性。在電路設(shè)計(jì)時(shí)首先要把電路的初始狀態(tài)調(diào)整好,即電阻橋路供電電源為負(fù)值(-UH),選用零漂移線性放大器,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性補(bǔ)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(hào)Uin之外,該電橋還同時(shí)給出電壓信號(hào)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(jí)A/D轉(zhuǎn)換器成為后續(xù)環(huán)節(jié)中進(jìn)行非線性補(bǔ)償?shù)囊罁?jù)
設(shè)A/D轉(zhuǎn)換器的特性為
 
計(jì)在0℃時(shí)電阻值。在式(5)中分母含有Rt的相關(guān)項(xiàng)隨著Rt增加,N中將有一個(gè)逐步遞增的補(bǔ)償量,可以補(bǔ)償測量橋路非線性。六端電橋非線性補(bǔ)償法補(bǔ)償曲線如圖5中虛線。
 
上述線性化方案,在測溫儀器的整體方案設(shè)計(jì)中要考慮以下問題
(1)選用合適的AD轉(zhuǎn)換器
　　選用AD轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器。例如CH7126雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器,A/D轉(zhuǎn)換器可直接與橋路相連接,失調(diào)電壓和溫度系數(shù)都很小。
(2)關(guān)于橋路電源與元件要求
　　從式(6)可見,在AD轉(zhuǎn)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(nèi)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(yīng)經(jīng)老化篩選,保證電阻值長期穩(wěn)定。
2結(jié)束語
　　重點(diǎn)討論了由于電阻溫度計(jì)和測量電阻橋路,隨著測溫度1增大時(shí),將產(chǎn)生非線性誤差。還介紹了對(duì)測量橋路非線性進(jìn)行補(bǔ)償?shù)膬煞N線性化的方法。該方法都能把補(bǔ)償前1%的非線性誤差變?yōu)檠a(bǔ)償后0.1%非線性的誤差。可采用圖3所示正反饋補(bǔ)償電路通過調(diào)正R11和R13,改變電橋供電源Un就能完全補(bǔ)償橋路非線性。或采用圖4所示六端電橋補(bǔ)償電路,通過選擇橋路電阻值,也能補(bǔ)償橋路非線性.來達(dá)到上述最小非線性誤差。該方法可用作解決熱電阻測溫儀線性化手段。