测温系统温度漂移的还原补偿法

　　1　引言

　　温度漂移的补偿方法可分为硬件补偿和软件补偿两类。硬件补偿主要是在前置放大电路中加入相关的补偿电路[1],文献[2]中提出的软件补偿法需测量当前的环境温度,而环境温度与放大器等电子器件的实际工作温度是不同的,且该方法需在两种不同的环境温度下标定6次,然后解6元一次方程,求出6个待定系数,计算比较麻烦。

　　本文设计的测温系统采用一种简便实用的温度补偿方法,不需测量环境温度,就能实现温度漂移的自动补偿,效果很好。

　　2　影响温度漂移的主要原因

　　图1示出一种测温系统的电路方案[3]。传感器Rt为Pt100热电阻,采用有源线性化测量桥路,两级运放,A/D转换采用V/F变换器,将放大器输出的电压信号变为频率信号,经光电隔离后送入CPU。因频率信号容易隔离,可以极大地提高系统的抗干扰能力,所以V/F变换器获得广泛应用。但V/F变换器本身无温度补偿功能,温漂较大,由此会产生较大的测量误差。

　　2·1　V/F变换器的温度漂移

　　图2所示为采用LM331组成的V/F变换器,其输出频率F与输入电压的关系为

　　其中输入电压V3的变化范围是0~10 V,输出频率F的变化范围是10 Hz~100 kHz。随着环境温度的变化,电阻和电容的实际值会发生相应的变化。设R0和C0分别表示电阻和电容在20℃时的标称值,则:R=R0[1+α(T-20)],C=C0[1+β(T-20)]。式中α是电阻温度系数,β是电容温度系数,T是环境温度,所以:

　　2·2　放大电路的温度漂移

　　放大电路一般采用两级放大,第一级是同相放大器,目的是提高输入阻抗,减少放大电路对测量桥路的影响,第二级是反相放大器,满足V/F变换器对输入电压相位的要求。两级放大器都会产生温漂,其输入输出关系为

式中:K1(T)、K2(T)分别为第一级、第二级放大器的增益;J1(T)、J2(T)分别为第一级、第二级放大器的零点漂移。这4个参数都是环境温度的函数。根据普通放大器的性能,可假设它们都是环境温度的线性函数,即:

式中:K11、K21分别是第一级放大器和第二级放大器增益的温度漂移系数,J11、J21分别是第一级和第二级放大器零点漂移的温度漂移系数。代入式(3)和式(4)可得:

　　由式(7)可知,两级放大器总的增益K(T)只与两级放大器的增益有关,而总零漂与第一级放大器的零漂、第二级放大器的零漂及第二级放大器的增益有关。总增益与总零漂均为环境温度T的非线性函数

　　2·3　测量电桥的温度漂移

　　运算放大器A1与电阻R1、R3、R3、及Rt(或Rx1、Rx2)组成有源线性化测量电桥。在正常测量时,模拟开关K11和K12闭合,K21、K22、K31、K32断开。我们知道模拟开关是具有导通电阻的,按图1电路接法,当开关K11(或K21、K31)闭合时,其导通电阻可看作是运放A1内阻的一部分,对测量电桥无影响。而放大器的第一级采用同相输入,其输入阻抗很高,当K12(或K22或K32)闭合时,K12(或K22、K32)上没有电流通过,所以其导通电阻对测量电桥也没有影响。设A1为理想运放,可得出热电阻Rt与电桥输出电压V1之间的关系[3]: