目前應(yīng)用最廣泛的熱電阻材料是鉑和銅：鉑電阻精度高，適用于中性和氧化性介質(zhì)，穩(wěn)定性好，具有一定的非線性，溫度越高電阻變化率越小；銅電阻在測溫范圍內(nèi)電阻值和溫度呈線性關(guān)系，溫度線數(shù)大，適用于無腐蝕介質(zhì)，超過150易被氧化。中國最常用的有R0=10Ω、R0=100Ω和R0=1000Ω等幾種，它們的分度號分別為pt10、pt100、pt1000；銅電阻有R0=50Ω和R0=100Ω兩種，它們的分度號為Cu50和Cu100。其中pt100和Cu50的應(yīng)用最為廣泛。

熱電阻是把溫度變化轉(zhuǎn)換為電阻值變化的一次元件，通常需要把電阻信號通過引線傳遞到計算機控制裝置或者其它一次儀表上。工業(yè)用熱電阻安裝在生產(chǎn)現(xiàn)場，與控制室之間存在一定的距離，因此熱電阻的引線對測量結(jié)果會有較大的影響。

熱電阻（圖5）

二線制：在熱電阻的兩端各連接一根導(dǎo)線來引出電阻信號的方式叫二線制：這種引線方法很簡單，但由于連接導(dǎo)線必然存在引線電阻r，r大小與導(dǎo)線的材質(zhì)和長度的因素有關(guān)，因此這種引線方式只適用于測量精度較低的場合

三線制：在熱電阻的根部的一端連接一根引線，另一端連接兩根引線的方式稱為三線制，這種方式通常與電橋配套使用，可以較好的消除引線電阻的影響，是工業(yè)過程控制中的最常用的。

四線制：在熱電阻的根部兩端各連接兩根導(dǎo)線的方式稱為四線制，其中兩根引線為熱電阻提供恒定電流I，把R轉(zhuǎn)換成電壓信號U，再通過另兩根引線把U引至二次儀表?？梢娺@種引線方式可完全消除引線的電阻影響，主要用于高精度的溫度檢測。

熱電阻采用三線制接法。采用三線制是為了消除連接導(dǎo)線電阻引起的測量誤差。這是因為測量熱電阻的電路一般是不平衡電橋。熱電阻作為電橋的一個橋臂電阻，其連接導(dǎo)線（從熱電阻到中控室）也成為橋臂電阻的一部分，這一部分電阻是未知的且隨環(huán)境溫度變化，造成測量誤差。采用三線制，將導(dǎo)線一根接到電橋的電源端，其余兩根分別接到熱電阻所在的橋臂及與其相鄰的橋臂上，這樣消除了導(dǎo)線線路電阻帶來的測量誤差。

采用三線制是為了消除連接導(dǎo)線電阻引起的測量誤差。這是因為測量熱電阻的電路一般是不平衡電橋。熱電阻作為電橋的一個橋臂電阻，其連接導(dǎo)線（從熱電阻到中控室）也成為橋臂電阻的一部分，這一部分電阻是未知的且隨環(huán)境溫度變化，造成測量誤差。采用三線制，將導(dǎo)線一根接到電橋的電源端，其余兩根分別接到熱電阻所在的橋臂及與其相鄰的橋臂上，這樣消除了導(dǎo)線線路電阻帶來的測量誤差。

針對使用中出現(xiàn)的三線制平衡電橋溫度測溫不準(zhǔn)確問題，提出了一種與測量導(dǎo)線電阻無關(guān)的恒壓分壓式三線制熱電阻測溫方法。在分析了三線制平衡電橋法的基礎(chǔ)上，提出了測量電路模型，描述了消除導(dǎo)線電阻的測量方法，分析了提高測量精度的措施，推導(dǎo)出了數(shù)字校準(zhǔn)公式。

使用通用運算放大器Op07與14位分辨率雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器ICL7135設(shè)計了簡潔的輸入檢測電路。經(jīng)實驗驗證，該電路對于pt100熱電阻，導(dǎo)線電阻在0～20Ω范圍內(nèi)，熱電阻測量誤差將優(yōu)于±0.1%。

熱電阻傳感器是一種電阻值隨環(huán)境溫度變化而改變的溫度傳感器，其中用金屬鉑做成的熱電阻因具有穩(wěn)定性好、精度高、測溫范圍大等優(yōu)點，而被廣泛應(yīng)用。測量溫度的熱電阻測溫儀主要由熱電阻傳感器、測量顯示儀表及連接導(dǎo)線組成。

由于熱電阻傳感器自身的溫度靈敏度較低，連接導(dǎo)線所具有的線路電阻對測量結(jié)果影響不容忽視，為了消除導(dǎo)線電阻的影響，熱電阻測溫儀廣泛采用平衡電橋式三線制接法，這種方法使溫度誤差得到一定的補償，但線路電阻的影響依然存在。提出基于恒壓分壓式三線特種線電阻補償方法，電路簡單，實現(xiàn)方便，可完全消除導(dǎo)線電阻的影響。相比于文獻所提出的使用較多的硬件電路進行導(dǎo)線電阻補償方法，該方法具有更加簡潔的導(dǎo)線電阻補償電路。

1常用熱電阻測量方法分析

對于pt100鉑熱電阻，國際溫標(biāo)BS-90中給出其阻值隨溫度變化關(guān)系如式（1）所示。

式中，Rt為熱電阻在溫度為t℃時的阻值，R0為熱電阻在溫度為0℃時的阻值，R0=100Ω，A=3．96847&TImes;10-3℃-1，B=-5．847x10-7℃-2，C=-4．22x10-12℃-3是與傳感器自身相關(guān)的系數(shù)。

由式（1）可知，pt100熱電阻的靈敏度約為0．38Ω／℃，為減小連接導(dǎo)線的線路電阻對測量結(jié)果的影響，一般常用三線制電橋法進行測量。VR=1V其電路原理如圖1所示。Rt為測溫電阻，r為連接導(dǎo)線電阻，R1、R2、R3為固定橋臂，R1=R2=1000Ω，R3=100Ω，VR為基準(zhǔn)參考電壓，G為測量儀表。在該電路中，3根導(dǎo)線分別連接傳感器橋臂、電阻橋臂和輸出端。采用這個方法可以很容易地測出待測電阻Rt。但是，在實際使用時，溫度傳感器和測溫電路之間往往有一定距離，連接導(dǎo)線的電阻率約為0．1～0．5Ω／m，連接導(dǎo)線電阻r所引起的測量誤差不能忽視。

如圖1所示的電橋，在不考慮線路電阻r時，電橋的輸出為：V‘c=VRRt／（R1+Rt）-VRR3／（R2+R3），考慮線路電阻時，電橋輸出Vc=VR（Rt+r）／（R1+Rt+r）-VR（R3+r）／（R2+R3+r），假設(shè)電橋在Rt=Rx時電橋平衡，即R2Rx=R1R3，且滿足橋臂電阻R1=R2=R3=Rx=R，當(dāng)Rt發(fā)生△R變化時，即Rt=R+△R，可計算出此時電橋因線路電阻r的存在造成的誤差為：

可以看出導(dǎo)線電阻r影響Rt的測量結(jié)果，并且無法通過調(diào)零電路完全消除。基于以上分析，提出了一種可完全消除導(dǎo)線誤差的恒壓分壓式三線制高精度前置電路。

2恒壓分壓式三線制測量電路

2．1測量原理

這里所使用的恒壓分壓式三線制法測電阻可以排除導(dǎo)線電阻的干擾，其等效原理圖如圖2所示。其中Rt為熱電阻。r為導(dǎo)線等效電阻。VR為基準(zhǔn)參考電壓，VAD是A／D轉(zhuǎn)換器的參考電壓，β為電壓放大倍數(shù)。

從式（3）可以看出：在已知RV和VR的情況下，欲求Rt只需測出V2和V1，而與導(dǎo)線電阻r沒有關(guān)系。且測量精度只取決于RV的精度與V1，V2的測量精度。在電橋法中無法消除的導(dǎo)線電阻在恒壓分壓式三線制方法中被完全消除。

由于熱電阻當(dāng)有電流通過時，會引起自身溫度升高，所以必須考慮其本身自熱誤差，即必須考慮流過熱電阻的電流所引起的升溫誤差。常用的pt100熱電阻驅(qū)動電流約為1mA。0℃時相當(dāng)于自熱功率約0．1mW，在高精度測量時，應(yīng)進一步降低自熱功率，減小自熱誤差。這里設(shè)置VR=2.5V，RV=10kΩ，則自熱功率約為0．006mW。

2．2提高測量精度措施

與三線制平衡電橋法相擬，圖2所示的電路輸出電壓V1與V2數(shù)值較小，還應(yīng)加入一級電壓放大后，再進行A／D轉(zhuǎn)換。參考電壓VR一般由精密恒壓源提供穩(wěn)定的電壓信號，此外單片機軟件在數(shù)學(xué)計算上選擇適當(dāng)?shù)乃惴ê妥珠L時，該計算誤差也可不計。但放大電路的放大倍數(shù)β和RV會因元器件個體而異，特別是在批量生產(chǎn)時元器件的精度難以保證統(tǒng)一，因此對一個具體輸入電路而言，還需考慮β和RV帶來的誤差。

為了消除β和RV帶來的誤差，可以通過標(biāo)定法，在儀表生產(chǎn)時進行自動標(biāo)定計算，求得實際電路的β和RV值，再將這兩個參數(shù)記錄在儀表的非易失存儲器中，在儀表進行溫度測量時，讀取該參數(shù)按式（1）進行計算，從而得到精確的測量溫度。

如果把圖2中長導(dǎo)線用盡可能短的導(dǎo)線代替（即r=O），并以精密電阻R代替熱電阻Rt，VAD是A／D轉(zhuǎn)換器的參考電壓，β為電壓放大倍數(shù)，其余部分保持不變，則有：

式（4）中，R是已知阻值的精密電阻；D是A／D轉(zhuǎn)換的結(jié)果，該結(jié)果可方便地從儀表顯示裝置中讀出；VR與VAD是基準(zhǔn)電壓，為恒定的常量；β為電路的總放大倍數(shù)；K是A／D轉(zhuǎn)換的比例因子，如對于14位的A／D轉(zhuǎn)換器，K=214。那么式（2）中只有2個未知數(shù)RV和β。對于一個具體輸入電路，如果取2個阻值已知的精密電阻R1、R2分別接入圖2所示電路進行標(biāo)定（標(biāo)定時，盡量使r=0），就可以得到一個二元一次方程組。這樣，對于一個具體輸入電路而言，可從方程組解出β和RV，其結(jié)果如下：

上述標(biāo)定方法可以總結(jié)為：2個阻值已知的精密標(biāo)準(zhǔn)電阻R1、R2分別接儀表的輸入端，且使用連接導(dǎo)線的電阻盡量減小，這時記錄儀表讀數(shù)D1與D2，代入式（5）即可計算出所標(biāo)定儀表的未知參數(shù)β和RV。在使用中，建議將VR與VAD使用同一個基準(zhǔn)源，這樣式（5）中β的計算就與參考電壓的精度無關(guān)。這種方法減小了不同基準(zhǔn)源之間的差異，特別是減小了不同基準(zhǔn)的時漂與溫漂的影響。

2．3測量電路

圖3是高精度pt100溫度測量系統(tǒng)的前置輸入電路部分，其中pt100基準(zhǔn)電壓與A／D轉(zhuǎn)換器ICL7135的基準(zhǔn)電壓為同一電壓基準(zhǔn)源，pt100的2路測量輸入信號V1與V2采用同一運算放大器放大（1+R3／R4）倍后進入A／D轉(zhuǎn)換器，使用微型繼電器K1進行通道選擇，這種方法共用運算放大器、A／D轉(zhuǎn)換器、基準(zhǔn)電壓源，減小了不同器件之間的差異對測量結(jié)果的影響。ICL7135的A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果通過串行方式與單片機相連，可以大大節(jié)約單片機的IO口。該電路在標(biāo)定時，使用標(biāo)準(zhǔn)電阻100Ω與300Ω進行標(biāo)定，將標(biāo)定結(jié)果β和RV存入單片機系統(tǒng)的EEpROM中。在實際測量中，單片機系統(tǒng)將β和RV取出，作為已知值，由式（3）計算出電阻Rt值。

2．4測量電路試驗分析

對比三線制平衡電橋法，該電路檢測結(jié)果得到了大大提高，表1是2種不同方法的測量標(biāo)準(zhǔn)電阻值的對比。其中r為線路電阻。

表1熱電阻阻值測量結(jié)果

從表1中可以看出，由于三線制平衡電橋法理論測量結(jié)果即存在較大誤差，且隨線路電阻r的增加，引起的誤差越大，隨待測熱電阻阻值增大，絕對誤差也呈增大的均勢。表1中，最大相對誤差為被測電阻Rt=300Ω，線路電阻r=20Ω時，達到了2．57％。本文采用改進后的三線制法的實測結(jié)果在所測數(shù)據(jù)范圍內(nèi)最大絕對誤差只有0．3Ω，最大相對誤差為±0．1％。電路使用的A／D轉(zhuǎn)換器僅相當(dāng)于14位的A／D轉(zhuǎn)換精度，若使用更高精度的A／D轉(zhuǎn)換器，可達到更高的測量精度。在實際的熱電阻傳感器測溫儀表中，還需加入由被測電阻轉(zhuǎn)換為對應(yīng)溫度的相關(guān)程序。即在測量得到Rt后，由式（1）計算即可精確求解出實際的溫度值。

3結(jié)論

三線制平衡電橋法在熱電阻測量中應(yīng)用廣泛，但存在無法消除傳感器引線電阻引起測量誤差的問題。本文分析了測量熱電阻平衡電橋法中存在的問題，提出了恒壓分壓式三線制測量方法，分析了測量電路產(chǎn)生誤差的原因及影響因素，推導(dǎo)并建立了待測電阻的影響參數(shù)及公式，設(shè)計了完整的測量電路，包括信號放大器和A／D轉(zhuǎn)換器以及與單片機的接口電路。最終對所設(shè)計電路的測試精度進行試驗測定，試驗表明，三線制平衡電橋法測標(biāo)準(zhǔn)電阻值在100～300Ω，線路電阻在0～20Ω時最大測量誤差達到2．57％，而平衡三線制測量誤差只有±0．1％。從而獲得了高精度的三線制熱電阻測量電路。