基于三線制的高精度熱電阻測量電路設計

熱電阻傳感器是一種電阻值隨環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定性好、精度高、測溫范圍大等優點，而被廣泛應用。測量溫度的熱電阻測溫儀主要由熱電阻傳感器、測量顯示儀表及連接導線組成。由于熱電阻傳感器自身的溫度靈敏度較低，連接導線所具有的線路電阻對測量結果影響不容忽視，為了消除導線電阻的影響，熱電阻測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線電阻補償方法，電路簡單，實現方便，可完全消除導線電阻的影響。相比于文獻所提出的使用較多的硬件電路進行導線電阻補償方法，該方法具有更加簡潔的導線電阻補償電路。

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

式中，Rt為熱電阻在溫度為t℃時的阻值，R0為熱電阻在溫度為0℃時的阻值，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的系數。
由式(1)可知，Pt100熱電阻的靈敏度約為0．38 Ω／℃，為減小連接導線的線路電阻對測量結果的影響，一般常用三線制電橋法進行測量。VR=1 V其電路原理如圖1所示。Rt為測溫電阻，r為連接導線電阻，R1、R2、R3為固定橋臂，R1=R2=1 000 Ω，R3=100 Ω，VR為基準參考電壓，G為測量儀表。在該電路中，3根導線分別連接傳感器橋臂、電阻橋臂和輸出端。采用這個方法可以很容易地測出待測電阻Rt。但是，在實際使用時，溫度傳感器和測溫電路之間往往有一定距離，連接導線的電阻率約為0．1～0．5 Ω／m，連接導線電阻r所引起的測量誤差不能忽視。

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

可以看出導線電阻r影響Rt的測量結果，并且無法通過調零電路完全消除。基于以上分析，提出了一種可完全消除導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量電路
2．1 測量原理
這里所使用的恒壓分壓式三線制法測電阻可以排除導線電阻的干擾，其等效原理圖如圖2所示。其中Rt為熱電阻。r為導線等效電阻。VR為基準參考電壓，VAD是A／D轉換器的參考電壓，β為電壓放大倍數。