多基准源实时自校正技术的研究

　　1　引言

　　铂电阻具有测量范围宽、稳定性好、重复性高和耐氧化等特点,广泛用于精密温度测量和控制的场合。但目前研究的主流仍是基于传统的不平衡电桥作为测量电路的基础[1-2],这对全面改进测量性能带来一定的局限性。

　　不平衡电桥测量温度产生的误差主要表现在如下几个方面:电桥测量原理本身存在着非线性;引线电阻所带来的附加误差;提供电桥基准电压或电流源的温度漂移。

　　此外,作为精密测量系统,还应对电桥之后的信号调理电路和A/D转换的零点漂移和灵敏度漂移加以考虑。此测温方法充分利用多基准源信息和微处理器的智能信息处理技术,可获得测温系统的高精度、高稳定性、高可靠性、高适应能力。

　　2　系统构成

　　铂电阻测温系统如图1所示。

　　图中:Rt为现场测温铂电阻Pt100;RT为仪表环境测温薄膜铂电阻Pt100;RH为精密基准电阻,提供校正基准高限,RH0=250Ω(T=25℃时);RL为精密基准电阻,提供校正基准低限,RL0=100Ω(T=25℃时);ra,rb,rc为现场铂电阻的3根引线电阻,选用同一材质的导线后,即使环境温度变化,引线电阻同时变化且阻值始终相同,即ra=rb=rc=r(T)。IS=1 mA为恒流源提供的激励电流,经多路模拟开关将各电阻传感器信号转换为100~250 mV电压信号,再经多路模拟开关输出给放大电路,双模拟开关可消除模拟开关导通电阻对测量的影响。放大电路由跟随器和两级运放组成,将100~250mV放大到3.2~8V,由V/F转换电路将其转换为3.2~8kHz频率信号。

　　3　系统温度漂移特性

　　3·1　基准电阻和恒流源的温度漂移

　　设各参数的标称值是在环境温度为25℃时的值,各关系式为

式中:T为环境温度;I0,RH0,RL0为各参数的标称值;α,β分别为恒流源和基准电阻的温度系数。两个基准电阻的温度系数很容易做到一致,如可用同一材质锰铜丝线绕或用同一多圈电位器分阻等。

　　3·2　放大电路的温度漂移

　　放大电路输入端对应各电阻传感器的输入电压为

　　3·3　V/F转换电路的温度漂移

　　V/F转换电路相应的频率输出:

式中:Kf(T)为V/F转换电路的灵敏度系数,是环境温度的函数;Jf(T)为V/F转换电路的零点漂移,是环境温度的函数。

　　4　系统误差分析

　　放大电路的第一级为跟随器,输入阻抗可达106MΩ,电阻传感器和模拟开关导通电阻为几百Ω,因此放大电路输入端的误差可忽略不计。

　　通过以上推导可得如下结论:

　　(1)在多路传感器信号的测量期间内,系统各环节的灵敏度和零点保持不变,则测量期间之外灵敏度和零点漂移变化不会引入误差。而由温度变化产生的灵敏度和零点漂移是一个非常缓慢的时变过程,在很短时间内(例如小于1 s)完成多路测量,上述结论成立。