实用多路铂电阻测温仪的设计与实现

　　0 引 言

　　铂电阻由于其性能稳定、测温范围宽、复现性和互换性好，在温度测量中有着广泛的应用。在保证测量精度的前提下，要求测温仪应在一般的工业现场都能正常工作。忽略这一点，不在设计和使用中采取必要的措施，会产生很大的误差，甚至损坏仪器。下面重点讨论分析铂电阻测温仪的引线电阻、工频和浪涌电压干扰的影响，列出保证其正常工作必要的措施。

　　1 克服引线电阻的影响

　　铂电阻当温度每升高1℃时，其电阻约增大0.4 Ω，即使2 条引线的铂电阻每端引线电阻为1 Ω，也会产生5℃的误差，必须采取措施克服其影响。图1 所示的3 条引线的铂电阻电桥是广泛采用的可减小该误差的温度信号提取电路，其中Rt为铂电阻，r1、r2和r3为3 条引线的电阻，通常r1=r2=r3=r。当r较小(如5Ω)时，合理选择电桥元件参数(如V+=12V，Ra=Rb=10k，Rc=100Ω为与温度下限对应的Rt值，量程0～200℃)，满量程时引线电阻引起的相对误差不会大于0.2% 。但当现场铂电阻引线较长或引线线径较小时，r 值较大(如100 Ω)，引线电阻带来的相对误差将明显加大(接近4%或更大)。增大Ra和Rb的值可削弱引线电阻的影响，但灵敏度也会降低，误差变化也不明显。这种电桥结构简单，装配调试工作量小，但它只能应用于引线电阻小的场合。如果引线过长，只能通过增大引线直径的方法，把引线电阻限制在允许的范围内，这样必将明显提高测量系统成本，限制了其应用范围。由包括多个运算放大器的一些铂电阻有源电桥温度信号提取电路可以很好地解决这个问题。如文献[ 1 ] 介绍的电路就可消除较大引线电阻的影响，其电路见图2。图2中Rt为铂电阻，r1、r2和r3为其引线电阻。铂电阻当温度t 在0 ～8 5 0 ℃时的电阻Rt= R0(1+At+Bt2)。当r1=r2=r3=r，R6=R7和R8=R4时，该电路输出为

　　V0=IK(Rt-R0)/(1-KRt/RF)

式中，电阻的单位均为Ω，I=Vref/R4(推荐值1mA)，K=Rf/R9=104/[R0/RF(1-Bta2/8)+1000IR0A]，R0为温度t=0℃时的电阻，A和B为温度系数，测温范围为0～ta(>0℃)，t=0℃时，V0=0。上式表明V0与引线电阻无关，即理论上可以完全消除引线电阻的影响，且V 0 与摄氏温度t 成线性关系。实测得当r=180 Ω时，有源电桥输出几乎不变。该电路结构较复杂，对元件精度要求较高，但能消出大引线电阻影响使其具有实用价值。只要保证r1=r2=r3，较大引线的电阻也不会影响测量结果。

　　以图1 和图2 电路为基础的多路测温仪框图见图3 和图4。图3 是用继电器转换的多路测温仪前向通道框图，图4 是用模拟开关转换的多路测温仪前向通道框图。其中的N 和M 分别为图2 和图1 中除铂电阻及其引线以外的部分，J1～Jn为继电器，控制电路(略)确保同时只能有一个继电器动作。图3(a)中每个继电器有3组动触点，图3(b) 中每个继电器有2组动触点，AM 为一般放大器，DAM 为差动放大器。图4 中MS 为模拟开关，图4(a)中用n×1型模拟开关，图4(b)中用n ×2 型模拟开关。n 为铂电阻的个数。继电器的突出优点是接触电阻极小，不足之处是机械触点一般不允许开关频率过快，且其寿命有限。因此，图3 电路一般只能用于间隔较长(如1 分钟或更长)时间读取一次温度值的场合。相反模拟开关无机械触点，动作速度快，寿命长，但其导通电阻是与电源电压有关的较大值，可达5 0 0 ～1200 Ω,且离散性很大，因此它们只能用来开关到高输入阻抗电路的电压信号，不可用来接通或断开几百欧姆的铂电阻。故图4 电路特别适用于间隔较短(如数秒钟)时间读取一次温度值的场合。不难看出图4 电路比图3 电路选配元件的工作量大得多。图3(a)和图4(a)适用于引线电阻较大场合的温度测量，图3(b)和图4(b)适用于引线电阻较小的场合温度的测量。