1、引言
傳統(tǒng)的不漏電流保護(hù)測試儀的電路設(shè)計、鉑熱電阻'>熱電阻等)的測量電路，在溫度測量和控制中起著極其重要的作用。這種電路也經(jīng)常作為單片機(jī)的一種前向通道接口使用，進(jìn)而構(gòu)成智能化測量控制儀表，但是，不平衡電橋中存在的非線性特性一直是人們需要徹底解決的問題。除此之外，在設(shè)計中，還要考慮自熱溫升、引線電阻、零點(diǎn)遷移等因素。對于熱電阻'>熱電阻的測量，人們進(jìn)行了大量的研究，也發(fā)表了很多的文章，在對這些成果進(jìn)行借鑒的基礎(chǔ)上，本文提出了一種新型的熱電阻'>熱電阻測量電路，具有通用性強(qiáng)、測量精度高、電路簡單等特點(diǎn)。
2、電橋非線性分析
電橋是在工業(yè)測量過程中進(jìn)行電阻—電壓轉(zhuǎn)換的常用電路，漏電流保護(hù)測試儀的電路設(shè)計，具有結(jié)構(gòu)簡單及良好的動態(tài)品質(zhì)。但存在的問題是橋臂電阻和電橋輸出電壓之間的非線性。
如圖2—1所示，在橋臂電阻R2產(chǎn)生ΔR的變化時，電橋輸出電壓變化為：
顯然，上式的分母項是產(chǎn)生非線性的根本原因。而該分母項的產(chǎn)生，其原因是當(dāng)R2發(fā)生變化時，該側(cè)橋臂上的電流也相應(yīng)的發(fā)生變化。如果保證該側(cè)電流恒定，那么，電壓與電阻的關(guān)系就是線性的。基于這種思路，作者利用恒流源設(shè)計了熱電阻'>熱電阻測量電路，下一部分將進(jìn)行重點(diǎn)說明。
3、熱電'>熱電阻'>熱電阻測量電路設(shè)計與分析
通過反饋網(wǎng)絡(luò)對取樣電阻上的電壓取樣，然后，與基準(zhǔn)電壓比較，得到一個誤差，將此誤差用放大器放大后去控制調(diào)整管，改變調(diào)整管c-e之間的電壓降，達(dá)到恒流的目的。
RS為取樣電阻，當(dāng)電流I流過RS時，RS上壓降為VRS，有：
VRS=I×RS(3—1)
VRS與I成正比。當(dāng)I變化時VRS一定朝著相同的方向變化。有：
VP=VREF(3-2)
VN=VRS(3—3)
其中，VP為比較放大器的同相輸入端電壓，VN為反相端輸入電壓。
在理想的情況下，對于運(yùn)算放大器來說，
VP=VN(3—4)
VRS=VREF(3-5)
即：VRS=VREF(3—5)因此，從理論上說，
I=VRS/RS(3—6)
實(shí)際上，由于比較器的放大倍數(shù)非常大，輸入阻抗也非常高，電流源電路是根據(jù)VRS來調(diào)整調(diào)整管的導(dǎo)通狀態(tài)，從而得到恒流的目的：當(dāng)I變大時，VRS增大，由于VREF不變，因此比較器的輸出下降，調(diào)整管基極的電流會變小，從而I下降;I變小時，調(diào)整過程正好相反。
下面是對恒流源的特性進(jìn)行的分析。漏電流保護(hù)測試儀的電路設(shè)計，設(shè)比較器的輸出電壓為VO，比較器的開環(huán)放大倍數(shù)為A，調(diào)整管基極電流為Ib，集電極電流為Ic，發(fā)射極電流為Ie。因此有：
整理后可得：
由式(3—14)可得出恒流I可以近似的看作只是VREF和RS和函數(shù)，而與其他參數(shù)無關(guān)。在使用過程中，即使某些器件的參數(shù)有所變化，如運(yùn)算放大器的開環(huán)放大倍數(shù)A發(fā)生變化，也不會影響到恒定電流I的數(shù)值。
在圖3—1中，R1，R2半橋的電流I1是由串聯(lián)調(diào)整恒流源提供的穩(wěn)定電流。通過使用電壓跟隨器IC1B，使R1，R2半橋與R3，R4半橋相互隔離，即電流I1與R3，R4半橋的電流I2無關(guān);而兩半橋的電壓相等。 信息來源:36
熱電'>熱電阻'>熱電阻R1采用了三線制接線方式連接，3條引線的電阻均為r，其中兩個引線電阻分別包括在R1支路和R2支路中，另外一個引線電阻與電橋的輸出端相連接，因?yàn)樵撦敵龆伺c輸入阻抗極高的放大器相連接，所以，這個引線電阻可以忽略不計。
電橋的各部分電壓差分別為：
當(dāng)熱電阻'>熱電阻R1的阻值因被測溫度的改變而改變時，即R1=R0+ΔR，電橋偏了原來的平衡狀態(tài)，此時，電橋的輸出電壓為：
式中I1為前述恒流源提供的恒定電流，可見ΔU與ΔR成線性關(guān)系，克服了不平衡電橋橋臂電阻與輸出電壓的非線性。IC1C和IC1D組成兩個電壓跟隨器，輸入阻抗極高，以保證在測量過程中不影響兩個半橋的電壓和電流。
電橋的輸出為差壓，IC2構(gòu)成的減法器，將電橋輸出進(jìn)行放大：
這樣，通過測量UO就可知熱電阻'>熱電阻的阻值變化，而且，UO與ΔR具有線性關(guān)系，完全消除了傳統(tǒng)的不平衡電橋的非線性誤差。同時電橋輸出電壓UO的表達(dá)式中不包括引線電阻r，只要使相鄰橋臂中連接的兩條長導(dǎo)線的材料、截面積、長度以及工作環(huán)境相同，在電橋的任何工作狀態(tài)下，都能完全消除引線電阻及其溫漂對電橋輸出電壓的影響。
在圖3—1中通過改變R2的阻值可以改變電橋的平衡點(diǎn)，參看式(3—22)的條件R2=R0，將R2調(diào)整到熱電阻'>熱電阻零點(diǎn)溫度對應(yīng)的阻值，就可以改變熱電阻'>熱電阻測量的零點(diǎn)溫度，從而，提高了實(shí)際應(yīng)用的靈活性，解決了零點(diǎn)遷移問題。另外，對于不同分度號的熱電阻'>熱電阻，通過改變R2的阻值，該電路都可以使用。這就使這個電路具有很強(qiáng)的通用性。
4、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)
使用電位器代替熱電'>熱電阻'>熱電阻，將R2調(diào)整到100Ω，調(diào)整恒流源電流，使I1為1mA，令K=100，則式(3—25)變?yōu)椋?/div>
UO=0.05×ΔR(4—1)
從表4—1中的數(shù)據(jù)可以看出，ΔR與輸出電壓UO呈線性關(guān)系。
5、結(jié)束語
本文提出的熱電阻'>熱電阻測量電路，克服了不平衡電橋非線性及引線電阻問題，可以改變測量的零點(diǎn)溫度，而且，適用于不同分度號的熱電阻'>熱電阻，具有很強(qiáng)的通用性和靈活性。
該電路已經(jīng)被應(yīng)用在流量測量儀表中進(jìn)行溫度補(bǔ)償，取得了很好的效果。