熱電阻四線制連接法在恒流驅(qū)動(dòng)中的應(yīng)用及分析

【摘要】對(duì)熱電阻感溫元件四線制加接法在恒流驅(qū)動(dòng)電路中的應(yīng)用作了分析，證明構(gòu)成恒流源的運(yùn)放反饋電阻足夠大時(shí)，熱電阻四線制連接法可有效的減小傳感器接線電阻和接插件的接觸電阻變化時(shí)溫度測(cè)量讀數(shù)的影響。
　　熱電阻作為溫度傳感器得到了廣泛的應(yīng)用.一般采用二線制或三線制接入驅(qū)動(dòng)電路;當(dāng)需要正確測(cè)量溫度或傳感器的引線很長(zhǎng)時(shí).則采用四線制接人驅(qū)動(dòng)電路,以徹底消除傳感器導(dǎo)線電陰和接插件連接處的接觸電阻對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。在恒流驅(qū)動(dòng)電路中.熱電陰Rt的兩電流引線接恒流源,兩電壓引線接高阻抗電壓表,如圖1所示.圖中溫度信號(hào)輸出電壓直接取自熱電阻兩端:R3R4為兩電流引線的電阻，RI.R2為兩電壓引線電阻.這里引線電阻包括導(dǎo)線電阻和連接件的接觸電阻。由于與Rr并聯(lián)的電壓.表測(cè)量支路的阻抗很高.因此漏電流極小.恒流源的電流全部從Rr流過(guò).流過(guò)Rr的電流是一個(gè)常數(shù).在電壓表測(cè)量問(wèn)路中，由于輸人阻抗很大.R1和R2上的壓降可以忽略.電壓表上測(cè)得的電壓為Rr上.的壓降(只與熱電阻的溫度有關(guān)).這種電路分析比較簡(jiǎn)單.
 
　　另一種恒流驅(qū)動(dòng)電路.其輸出電壓并不直接取自熱電阻兩端;對(duì)這種形式的電路,有必要作進(jìn)一步的分析。
一. 不直接從熱電阻兩端輸出的恒流驅(qū)動(dòng)電路
 
　　在圖2中.熱電阻R接在由運(yùn)放IC組成的恒流源電路的反饋回路中恒流源給Rr提供一個(gè)恒定電流.運(yùn)放的輸出為溫度信號(hào)的輸出。圖中熱電阻Rr采用-一.線制連接法接入恒流源,r1，與r2為Rr的兩接線電阻(包括導(dǎo)線電阻及接插件的接觸電阻兩部分).運(yùn)放的開(kāi)環(huán)增益Ao很大時(shí)，運(yùn)放輸出電壓的表達(dá)式為
 
　　若熱電阻在0℃時(shí)阻值為Ro.在任意溫度t時(shí)阻值為
 
　　其中△R為溫度t的線性函數(shù)或近似線性函數(shù)，在t=0℃時(shí),△R取零值.在實(shí)際測(cè)溫中，要求溫度為零時(shí)，輸出電壓為零。為此應(yīng)調(diào)節(jié)Rs.Rt的阻值使
 
　　由(4).式知，熱電阻的接線電阻r1和r2將影響輸出信號(hào)電壓的大小r1和r2不是恒定的，它們隨環(huán)境溫度以及接插件的連接狀況而變化.月不能通過(guò)校準(zhǔn)來(lái)消除掉.因此將引入測(cè)試誤差。
二.四線制連接法在恒流驅(qū)動(dòng)電路中的應(yīng)用
　　為了克服上述恒流驅(qū)動(dòng)電路中熱電阻的引線電阻的影響，可以采用四線制連接法將熱電阻接人電路(見(jiàn)圖3).其電流引線的電阻為rs和.R4.電壓引線電阻為r1和IC2為下一級(jí)放大的運(yùn)算放大器。假設(shè)運(yùn)放的開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)Ao=?且下一級(jí)放大器的輸入阻抗為無(wú)窮大.圖3的等效電路圖可簡(jiǎn)化為圖4的形式。
 
　　圖中V.n為反相端電壓，Vp為同相端電壓.I為Rr中流過(guò)的電流，Vr為Rr上的壓降，Veu,為輸出電壓:由于Ao=?,在Rr和R。+r3構(gòu)成的負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)的作用下。Vn=Vp,運(yùn)放輸入阻抗上的電壓為零.沒(méi)有電流流過(guò).與它串接的引線電阻r1上也無(wú)電流流過(guò).其上壓降為零,所以圖4中不予考慮.同樣,由于下級(jí)放大器的輸人阻抗為無(wú)窮大,無(wú)電流流過(guò),與它串接的引線電阻r2也沒(méi)有電流流過(guò).其壓降為零,在圖4中也不子考慮。由圖4很容易導(dǎo)出
 
　　由(11)式看出.輸出電壓與熱電阻的變化量AR呈線性關(guān)系。若熱電阻阻值與溫度變化也呈線性關(guān)系，則輸出電壓與溫度呈線性關(guān)系。由(9)式求差分得到引線電阻變化引起的輸出變化為
 
(14)式給出引線電阻變化引起的溫度誤差。從(14)看出.采用四線制接線法以后.只有引線電阻r1的變化值△r3會(huì)產(chǎn)生溫度誤差.該誤差與電阻Ra成反比。為了使誤差盡可能小。應(yīng)采用較大阻值的R.但R。不能太大。否則流過(guò)Rr的電流將減小,使輸出信號(hào)電壓減小，因此R.的選擇應(yīng)折中考慮。
　　在實(shí)際工作中.我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)驅(qū)動(dòng)熱電阻的恒流源電路(見(jiàn)圖5).由穩(wěn)壓電源輸出的-7.5V電壓.經(jīng)電阻R和2DW7C型精密穩(wěn)壓管D構(gòu)成的穩(wěn)壓器再次穩(wěn)壓后，給恒流源提供一6.2V的高穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓源E;熱電阻Rr采用四線制接人恒流源電路.引線長(zhǎng)2米.用插頭座與電路連接,Rb與Re的比例關(guān)系可通過(guò)電位.器調(diào)節(jié).用以滿足溫度為零輸出為零的條件.Rr為銅熱電阻，其零度阻值為Ro=20歐，在0~100℃范圍內(nèi).具有非常理想的線性關(guān)系:溫度每變化1度.電阻變化0.085歐。
 
　　為了驗(yàn)證四線制連接法的作用(測(cè)試溫度為零).在四線中分別依次串入0.1歐的電阻來(lái)模擬引線電阻的變化.結(jié)果發(fā)現(xiàn)溫度指示無(wú)變化.若用(14)式計(jì)算,其對(duì)應(yīng)的溫度誤差為
 
　　這一誤差已超出實(shí)驗(yàn)裝置溫度指示的靈敏度范圍.實(shí)驗(yàn)裝置的溫度指示的分腓率為0.1℃.從這里可以看出.四線制連接法有效地消除了引線電阻變化所帶來(lái)的測(cè)溫誤差。
四.結(jié)論
　　在運(yùn)算放大器輸出端輸出溫度信號(hào)的恒流源驅(qū)動(dòng)電路中,采用四線制連接法把熱電阻接入電路,能有效地減小引線電阻變化引起的溫度誤差,這種方法可以完全消除兩電壓引線電阻和一電流引線電阻變化產(chǎn)生的誤差、另一電.流引線可引起的誤差也可大大降低。為了減小引線帶來(lái)的測(cè)溫誤差,應(yīng)使運(yùn)算放大器反饋網(wǎng)絡(luò)中的電阻R。取足夠大的阻值。