水溫測量系統的實測數據及誤差分析

李妍 山東省東營市供熱管理處

水溫測量系統的實測數據及誤差分析

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，為了提高精度對電路的實測數據及誤差進行分析。

橋臂電阻；熱電阻

1、實測數據

1.1 橋臂電阻R1、R2大小的選擇

測溫電路如圖1。

表1當橋路電阻為820Ω，1kΩ，2k Ω，5.1kΩ時電橋輸出參數實驗數據。

測試條件：橋路電源電壓2.5V；

實驗數據分析：為了提高溫度的測量的精度，對橋路的橋臂上的電阻進行了選擇。橋臂的阻值會影響測量輸出電壓的幅值，也會影響測量的精度。對橋路電阻進行選擇時，應考慮以下三個方面：

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流過熱電阻的靜態電流應小于規定值(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，就是要確定R1、R2的阻值。其中R1、R2一經確定后就不再改變，而Rt是隨著溫度的變化而變化的。為求由電阻數值所確定的V0的極值，我們對上式進行求導得：dV0/dRt=Vcc*R1/(Rt+R1)2,為了使V0有最大值應使dV0/dRt=0，此時R1=0，但這時橋路電流會非常大會超過Rt所允許的最大電流，故R1不能為0，只是越小越好，實驗時我們分別采用了820Ω、1KΩ、2KΩ、5.1KΩ的電阻進行了測量，實驗結果如上面的數據表格所示，當R1=R2=820Ω時，橋路壓差太大，從而橋路電流大，電阻和導線會發熱，從而Rt的阻值會比實際的阻值大，所以對溫度的測量會有很壞的影響，以至于測量得到的數據不準確；而另一方面當R1=R2=5.1kΩ時，從上面的表格可以知道，橋路壓差又太小了，經過運算放大后的數據仍小輸入到A/D轉換器，對A/D轉換不利，同時橋路壓差太小時，數據的變化不大，也不利于很精細進行各個溫度點的測量，所以對于R1=R2=5.1K的方案也不予采納，對于1KΩ和2KΩ的電橋所測得的數據壓差合適，伴著R1越小越好的原則在本設計中我們決定采用R1=R2=1KΩ。

表1

圖1

1.2 在0℃、100℃、常溫條件下的測量

實驗時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間后，用數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間后測量鉑電阻的阻值為138.43Ω，由分度表查得理論上100℃時鉑電阻的電阻為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；在常溫環境下，我們測出鉑電阻的電阻為110.84，用水銀溫度計測得當時的溫度為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：

有時熱電阻安裝的地方離儀器較遠，環境溫度的變化將影響到連結導線的電阻，從而造成測量誤差，因為導線電阻與熱電阻相串聯。為了克服導線電阻的影響，設計了三線法,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線電阻隨溫度變化對測量的影響，但和熱電阻串聯的電位器的中心觸點電阻與檢流計串聯，不影響溫度準確度。

2.2 橋路電阻材料的選擇

根據構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，比較如下：

金屬膜電阻溫度系數。電壓系數和噪聲都比較小，適用于精密的電子設備中，缺點是膜層較薄，在脈沖負荷下的穩定性不高。

金屬氧化膜電阻耐熱性好，化學穩定性好，在空氣中不易被氧化，且具有較好的機械性能，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，大多數金屬氧化膜屬于半導體，與金屬引線的接觸會產生較大的接觸電阻。

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

精密合金電阻具有高度的溫度性，溫度系數很低，隨時間的穩定性好，除了內部結構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，溫度系數小，比較穩定。

為了提高精度，理論上橋路電阻的阻值應保持不變，但實際上由于橋路電流的存在，導線和電阻都具有一定的溫度系數，會發熱，所以電阻的阻值總會有所變化，我們應著手使電阻阻值的變化盡可能的小，故我們應選擇溫度系數盡可能小的電阻，綜合上面的比較我們可以選擇錳銅絲材料的電阻，我們實驗室有錳銅絲需要繞成電阻，由于時間緊促，我們沒有繞，使用了我們試驗室現成的碳膜電阻。

2.3 增加橋路電源的穩定性來提高測量精度

橋路電源穩定與否對于整個設計有著至關重要的作用，因為一旦電源不穩定，我們在進行測量時將會被一直來回變化而穩定不下來的測量數據所困擾著，甚至會出現測量數據波動幅度很大的情況，以至于無法計數，所以選擇一個穩定的橋路電源是很有必要的，在本次設計中我們選擇美國摩托羅拉公司的精密穩壓源TL431作為橋路電源。

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

[1] 張寶芬,曹麗.自動檢測技術及儀表控制系統.化學工業出版社

[2] 李進, 宋濱主編.電子技術實驗.青島科技大學信控電子教研室

[3] 崔忠勤等編.標準集成電路數據手冊.運算放大器.電子工業出版社

[4] 中國計量出版社 組編 .新編電子電路大全.中國計量出版社