基于电流法的热电阻温度测量装置

　　1　引　　言

　　目前,在工业生产和科学研究的温度测量中热电阻是使用的最广泛的测温仪表之一,测量范围大、性能稳定、安装使用方便是热电阻的主要特点,但热电阻输出与温度之间的非线性特性也给其应用于精确测量带来诸多不便,虽然采用了一些线性化方法,如用正反馈法改善非线性等[1],但测量误差仍然可观。本文论述了一种采用热电阻分度表测量温度的装置,该装置先用电流法精确测出热电阻值Rt,再由Rt的值查分度表得出温度值,因此,实现了真正意义上的线性化。另外,实现了热电阻全温度分度范围的温度测量,且可获得较高的测量精度。本装置采用Pt100热电阻,其测温范围为-200~+850℃,在不计热电阻测量误差时,在-200~+850℃范围内该装置的测量误差为±1℃,当采用B等级热电阻时,在-200~+850℃范围内该装置的测量误差约为±6℃。

　　2　测量原理

　　在此先给出2种测量电阻的方法,原理如图1所示。

　　电流法见图1(a),U1、U2为多路模拟开关,I、R0、R1、A、AD分别为标准电流、被测电阻、标准电阻、放大器、AD转换器,U01、U02分别为标准校准电压信号和被测电压信号,设对应的AD采样值分别为S1、S2,标准校准电压U01由电流源I流过标准电阻R1获得,用于对放大器和采样通道校准。在单片机控制下,U1和U2的通道IN1导通时,有:

　　因为一个测量周期是在极短的时间内完成的,且共用A和AD,所以可以认为K1(t) = K2(t),则式(3)变为:

　　电压法见图1(b),U1、U2为多路模拟开关,U、R0、R1~ R3、A、AD分别为标准电压、被测电阻、标准电阻、放大器、AD转换器,U01、U02分别为标准校准电压信号和被测电压信号,设对应的AD采样值分别为S1、S2,标准校准电压U01由电压源U经R2和R1分压获得,用于对放大器和采样通道校准。在单片机控制下,U1和U2的通道IN1导通时,有:

　　式中:K2(t)为U02采样时放大转换通道的等效转换系数。将式(7)与式(6)相除,有:

　　因为一个测量周期是在极短的时间内完成的,且共用A和AD,所以可以认为K1(t) = K2(t),则式(8)为:

　　由式(4)、式(5)、式(8)、式(10)可见,由于采用了与标准信号采样值比较的方法,且数据采集周期极短,使得被测电阻只与标准电阻R1~R3,标准校准信号的采样值S1、被测信号的采样值S2有关,与电流源或电压源无关,大大减小了放大采样通道的放大倍数、零点漂移和非线性的影响,因此,提高了测量精度,实现了电阻值的精确测量,测量精度主要取决于AD转换器的分辨率。电压法比电流法多用了2个标准电阻,计算也略显繁琐,另外,多路模拟开关的导通电阻对测量精度有一定的影响。本装置采用电流法测量热电阻。