李妍 山東省東營市供熱管理處

水溫測量系統(tǒng)的實(shí)測數(shù)據(jù)及誤差分析

李妍 山東省東營市供熱管理處

由 Pt100 、LM324、AD620、TL431等元器件組成的水溫測量系統(tǒng)，為了提高精度對(duì)電路的實(shí)測數(shù)據(jù)及誤差進(jìn)行分析。

橋臂電阻；熱電阻

1、實(shí)測數(shù)據(jù)

1.1 橋臂電阻R1、R2大小的選擇

測溫電路如圖1。

表1當(dāng)橋路電阻為820Ω，1kΩ，2k Ω，5.1kΩ時(shí)電橋輸出參數(shù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

測試條件：橋路電源電壓2.5V；

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析：為了提高溫度的測量的精度，對(duì)橋路的橋臂上的電阻進(jìn)行了選擇。橋臂的阻值會(huì)影響測量輸出電壓的幅值，也會(huì)影響測量的精度。對(duì)橋路電阻進(jìn)行選擇時(shí)，應(yīng)考慮以下三個(gè)方面：

①橋路輸出的差分電壓越高越好；②溫度、電阻曲線越直越好；③流過熱電阻的靜態(tài)電流應(yīng)小于規(guī)定值(6mA)。

分析圖示電橋電路，可得出V0=Vcc*Rt/(Rt+R1)- Vcc*R3/(R2+R3)

求電橋參數(shù)，就是要確定R1、R2的阻值。其中R1、R2一經(jīng)確定后就不再改變，而Rt是隨著溫度的變化而變化的。為求由電阻數(shù)值所確定的V0的極值，我們對(duì)上式進(jìn)行求導(dǎo)得：dV0/dRt=Vcc*R1/(Rt+R1)2,為了使V0有最大值應(yīng)使dV0/dRt=0，此時(shí)R1=0，但這時(shí)橋路電流會(huì)非常大會(huì)超過Rt所允許的最大電流，故R1不能為0，只是越小越好，實(shí)驗(yàn)時(shí)我們分別采用了820Ω、1KΩ、2KΩ、5.1KΩ的電阻進(jìn)行了測量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如上面的數(shù)據(jù)表格所示，當(dāng)R1=R2=820Ω時(shí)，橋路壓差太大，從而橋路電流大，電阻和導(dǎo)線會(huì)發(fā)熱，從而Rt的阻值會(huì)比實(shí)際的阻值大，所以對(duì)溫度的測量會(huì)有很壞的影響，以至于測量得到的數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確；而另一方面當(dāng)R1=R2=5.1kΩ時(shí)，從上面的表格可以知道，橋路壓差又太小了，經(jīng)過運(yùn)算放大后的數(shù)據(jù)仍小輸入到A/D轉(zhuǎn)換器，對(duì)A/D轉(zhuǎn)換不利，同時(shí)橋路壓差太小時(shí)，數(shù)據(jù)的變化不大，也不利于很精細(xì)進(jìn)行各個(gè)溫度點(diǎn)的測量，所以對(duì)于R1=R2=5.1K的方案也不予采納，對(duì)于1KΩ和2KΩ的電橋所測得的數(shù)據(jù)壓差合適，伴著R1越小越好的原則在本設(shè)計(jì)中我們決定采用R1=R2=1KΩ。

表1

圖1

1.2 在0℃、100℃、常溫條件下的測量

實(shí)驗(yàn)時(shí)我們測量了冰水混合物的溫度，我們將鉑電阻放在冰水混合物一段時(shí)間后，用數(shù)字萬用表測量鉑電阻的阻值為99.86Ω，通過查鉑電阻的分度表可知理論上0℃時(shí)鉑電阻的電阻為100Ω，誤差為0.14%，測出橋路輸出電壓為0mV,放大電壓輸出為0.42mV；另一方面我們測量了沸水的溫度，將鉑電阻放在沸水中一段時(shí)間后測量鉑電阻的阻值為138.43Ω，由分度表查得理論上100℃時(shí)鉑電阻的電阻為138.505，誤差為0.107%測出橋路輸出電壓為42.02mV,放大電壓輸出為3.307V；在常溫環(huán)境下，我們測出鉑電阻的電阻為110.84，用水銀溫度計(jì)測得當(dāng)時(shí)的溫度為27℃, 由分度表查得理論上27℃是鉑電阻的電阻為110.51，誤差為0.29%，由試驗(yàn)可知測得的冰水混合物和沸水的溫度都和理論上的溫度有誤差，造成誤差的原因是多方面的，一方面是鉑電阻本身的不準(zhǔn)確，另一方面是儀表的原因，再就是冰水混合物和沸水的不純，所以為了減小誤差我們應(yīng)從這幾方面考慮，然后盡可能的減小誤差。

2、提高精度的方法

2.1 提高熱電阻測量精度的方法：

有時(shí)熱電阻安裝的地方離儀器較遠(yuǎn)，環(huán)境溫度的變化將影響到連結(jié)導(dǎo)線的電阻，從而造成測量誤差，因?yàn)閷?dǎo)線電阻與熱電阻相串聯(lián)。為了克服導(dǎo)線電阻的影響，設(shè)計(jì)了三線法,這種引線方式主要用于高精度的溫度檢測。

三線法可以消除連接導(dǎo)線電阻隨溫度變化對(duì)測量的影響，但和熱電阻串聯(lián)的電位器的中心觸點(diǎn)電阻與檢流計(jì)串聯(lián)，不影響溫度準(zhǔn)確度。

2.2 橋路電阻材料的選擇

根據(jù)構(gòu)成電阻的材料的不同電阻可以分為以下幾種：金屬膜電阻，金屬氧化膜電阻，熱分解碳膜電阻，合金電阻等，這些電阻各有特點(diǎn)，比較如下：

金屬膜電阻溫度系數(shù)。電壓系數(shù)和噪聲都比較小，適用于精密的電子設(shè)備中，缺點(diǎn)是膜層較薄，在脈沖負(fù)荷下的穩(wěn)定性不高。

金屬氧化膜電阻耐熱性好，化學(xué)穩(wěn)定性好，在空氣中不易被氧化，且具有較好的機(jī)械性能，硬度大，耐磨，不易損傷。但氧化膜在潮濕的空氣中、直流電壓下容易還原。此外，大多數(shù)金屬氧化膜屬于半導(dǎo)體，與金屬引線的接觸會(huì)產(chǎn)生較大的接觸電阻。

熱分解碳膜電阻具有較高的化學(xué)穩(wěn)定性和較大的電阻率。所以碳膜電阻的阻值范圍寬，穩(wěn)定性好，受電壓和頻率的影響較小，溫度系數(shù)不大且是單值，工藝簡單。

精密合金電阻具有高度的溫度性，溫度系數(shù)很低，隨時(shí)間的穩(wěn)定性好，除了內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化以外其他老化因素的影響較小，因此合金型電阻可制成精密電阻。

錳銅絲電阻的性能很好，溫度系數(shù)小，比較穩(wěn)定。

為了提高精度，理論上橋路電阻的阻值應(yīng)保持不變，但實(shí)際上由于橋路電流的存在，導(dǎo)線和電阻都具有一定的溫度系數(shù)，會(huì)發(fā)熱，所以電阻的阻值總會(huì)有所變化，我們應(yīng)著手使電阻阻值的變化盡可能的小，故我們應(yīng)選擇溫度系數(shù)盡可能小的電阻，綜合上面的比較我們可以選擇錳銅絲材料的電阻，我們實(shí)驗(yàn)室有錳銅絲需要繞成電阻，由于時(shí)間緊促，我們沒有繞，使用了我們?cè)囼?yàn)室現(xiàn)成的碳膜電阻。

2.3 增加橋路電源的穩(wěn)定性來提高測量精度

橋路電源穩(wěn)定與否對(duì)于整個(gè)設(shè)計(jì)有著至關(guān)重要的作用，因?yàn)橐坏╇娫床环€(wěn)定，我們?cè)谶M(jìn)行測量時(shí)將會(huì)被一直來回變化而穩(wěn)定不下來的測量數(shù)據(jù)所困擾著，甚至?xí)霈F(xiàn)測量數(shù)據(jù)波動(dòng)幅度很大的情況，以至于無法計(jì)數(shù)，所以選擇一個(gè)穩(wěn)定的橋路電源是很有必要的，在本次設(shè)計(jì)中我們選擇美國摩托羅拉公司的精密穩(wěn)壓源TL431作為橋路電源。

TL431為美國摩托羅拉公司的產(chǎn)品，稱為可控精密穩(wěn)壓源，這種三端集成電路在功能上相當(dāng)于一只低溫度系數(shù)的可變穩(wěn)壓值的穩(wěn)壓二極管，由于其內(nèi)部有一個(gè)2.5V的精密參考電壓源，借助兩只外接電阻穩(wěn)壓值又可在2.5～36V連續(xù)可調(diào)，且輸出電流較大，使得它在許多電路中得到廣泛的應(yīng)用。

[1] 張寶芬,曹麗.自動(dòng)檢測技術(shù)及儀表控制系統(tǒng).化學(xué)工業(yè)出版社

[2] 李進(jìn), 宋濱主編.電子技術(shù)實(shí)驗(yàn).青島科技大學(xué)信控電子教研室

[3] 崔忠勤等編.標(biāo)準(zhǔn)集成電路數(shù)據(jù)手冊(cè).運(yùn)算放大器.電子工業(yè)出版社

[4] 中國計(jì)量出版社 組編 .新編電子電路大全.中國計(jì)量出版社