热电阻测温电路设计

　　1　引　言

　　目前,热电阻和热电偶是工业生产过程自动化最常用的两种温度传感器。热电阻由于在测量的灵敏度、线性度等诸多方面均优于热电偶,因此,在中低温区得到了更广泛的应用。

　　传统的不平衡电桥作为电阻温度变送器(如铜热电阻、铂热电阻等)的测量电路,在温度测量和控制中起着极其重要的作用。这种电路也经常作为单片机的一种前向通道接口使用,进而构成智能化测量控制仪表,但是,不平衡电桥中存在的非线性特性一直是人们需要彻底解决的问题。除此之外,在设计中,还要考虑自热温升、引线电阻、零点迁移等因素。对于热电阻的测量,人们进行了大量的研究,也发表了很多的文章,在对这些成果进行借鉴的基础上,本文提出了一种新型的热电阻测量电路,具有通用性强、测量精度高、电路简单等特点。

　　2　电桥非线性分析

　　电桥是在工业测量过程中进行电阻—电压转换的常用电路,具有结构简单及良好的动态品质。但存在的问题是桥臂电阻和电桥输出电压之间的非线性。

　　如图2—1所示,在桥臂电阻R2产生ΔR的变化时,电桥输出电压变化为:

　　若R1=R2=R3=R4=R,综合式(2—1)、(2—2)、(2—3)可得:

　　据推算在ΔR2/R= 3%时,非线性误差为1.5%,在ΔR2/R=10%时,非线性误差可达6%。这当然不能适应高精度测量的要求。

　　显然,上式的分母项是产生非线性的根本原因。而该分母项的产生,其原因是当R2发生变化时,该侧桥臂上的电流也相应的发生变化。如果保证该侧电流恒定,那么,电压与电阻的关系就是线性的。基于这种思路,作者利用恒流源设计了热电阻测量电路,下一部分将进行重点说明。

　　3　热电阻测量电路设计与分析

　　在图3—1中左侧为恒流源电路,为了便于说明,将其分离出来如图3—2所示。

　　通过反馈网络对取样电阻上的电压取样,然后,与基准电压比较,得到一个误差,将此误差用放大器放大后去控制调整管,改变调整管c-e之间的电压降,达到恒流的目的。

　　RS为取样电阻,当电流I流过RS时,RS上压降为VRS,有:

　　VRS与I成正比。当I变化时VRS一定朝着相同的方向变化。有:

　　其中,VP为比较放大器的同相输入端电压,VN为反相端输入电压。

　　在理想的情况下,对于运算放大器来说,有:

　　因此,从理论上说,有

　　实际上,由于比较器的放大倍数非常大,输入阻抗也非常高,电流源电路是根据VRS来调整调整管的导通状态,从而得到恒流的目的:当I变大时,VRS增大,由于VREF不变,因此比较器的输出下降,调整管基极的电流会变小,从而I下降;I变小时,调整过程正好相反。