模拟技术中的基于三线制的高精度热电阻测量电路设计

摘要:  针对使用中出现的三线制平衡电桥温度测温不准确问题,提出了一种与测量导线电阻无关的恒压分压式三线制热电阻测温方法。在分析了三线制平衡电桥法的基础上,提出了测量电路模型，描述了消除导线电阻的测量方法，分析了提高测量精度的措施，推导出了数字校准公式。使用通用运算放大器OP07与14位分辨率双积分型A/D转换器ICL7135设计了简洁的输入检测电路。经实验验证，该电路对于Pt100热电阻,导线电阻在0～20 Ω范围内,热电阻测量误差将优于±0.1%。 　　热电阻传感器是一种电阻值随环境温度变化而改变的温度传感器，其中用金属铂做成的热电阻因具有稳定性好、精度高、测温范围大等优点，而被广泛应用 在模拟技术领域，热电阻测量电路的设计至关重要，特别是在需要高精度温度监测的应用中。本文针对三线制平衡电桥温度测量中存在的不准确性问题，提出了一种新的恒压分压式三线制热电阻测温方法，该方法能够有效消除测量过程中导线电阻的影响，从而提高测量精度。 传统的三线制平衡电桥法虽然可以部分补偿线路电阻带来的误差，但在实际应用中，由于连接导线的电阻不可忽略，仍会导致测量误差。为了解决这一问题，新提出的恒压分压式三线制方法引入了一个简洁的输入检测电路，该电路由通用运算放大器OP07和14位分辨率的双积分型A/D转换器ICL7135组成。通过这样的设计，电路能够对 Pt100 热电阻进行精确测量，即使在导线电阻范围为0～20 Ω时，测量误差也能控制在±0.1%以内。 热电阻传感器，尤其是 Pt100 热电阻，因其稳定的性能、高精度以及广泛的测温范围而被广泛应用。这种传感器的电阻值会随着环境温度的变化而变化，其电阻-温度特性通常用国际温标BS-90中的公式来描述。然而，由于热电阻的低温度灵敏度（约0.38 Ω/℃），连接导线的线路电阻会显著影响测量结果。因此，使用三线制电桥法是为了减少这种影响，但并不能完全消除。 新的恒压分压式三线制测量原理在于，通过设置恒定电压源，使得测量结果与导线电阻无关。在等效电路中，热电阻与导线电阻并联，通过测量两个电压值（V1 和 V2），可以计算出热电阻的阻值，而无需考虑导线电阻。这样，测量精度仅受参考电压的精度和V1、V2的测量精度影响。 此外，考虑到热电阻在有电流通过时会产生自热效应，影响测量结果，因此在设计中还需要考虑电流大小以避免自热误差。通过合理选择工作电流和优化电路设计，可以有效地降低自热误差对测量精度的影响。 本文提出的方法提供了一种更精确的热电阻测量手段，尤其是在需要高精度和消除导线电阻影响的场合。通过使用恒压分压式三线制电路，不仅简化了硬件设计，还提高了系统的整体测量性能。这对于依赖热电阻传感器的温度监测系统，如工业自动化、环境监控和医疗设备等领域具有重要的实践意义。