水温测量系统的实测数据及误差分析

李妍 山东省东营市供热管理处

水温测量系统的实测数据及误差分析

李妍 山东省东营市供热管理处

由 Pt100 、LM324、AD620、TL431等元器件组成的水温测量系统，为了提高精度对电路的实测数据及误差进行分析。

桥臂电阻；热电阻

1、实测数据

1.1 桥臂电阻R1、R2大小的选择

测温电路如图1。

表1当桥路电阻为820Ω，1kΩ，2k Ω，5.1kΩ时电桥输出参数实验数据。

测试条件：桥路电源电压2.5V；

实验数据分析：为了提高温度的测量的精度，对桥路的桥臂上的电阻进行了选择。桥臂的阻值会影响测量输出电压的幅值，也会影响测量的精度。对桥路电阻进行选择时，应考虑以下三个方面：

①桥路输出的差分电压越高越好；②温度、电阻曲线越直越好；③流过热电阻的静态电流应小于规定值(6mA)。

分析图示电桥电路，可得出V0=Vcc*Rt/(Rt+R1)- Vcc*R3/(R2+R3)

求电桥参数，就是要确定R1、R2的阻值。其中R1、R2一经确定后就不再改变，而Rt是随着温度的变化而变化的。为求由电阻数值所确定的V0的极值，我们对上式进行求导得：dV0/dRt=Vcc*R1/(Rt+R1)2,为了使V0有最大值应使dV0/dRt=0，此时R1=0，但这时桥路电流会非常大会超过Rt所允许的最大电流，故R1不能为0，只是越小越好，实验时我们分别采用了820Ω、1KΩ、2KΩ、5.1KΩ的电阻进行了测量，实验结果如上面的数据表格所示，当R1=R2=820Ω时，桥路压差太大，从而桥路电流大，电阻和导线会发热，从而Rt的阻值会比实际的阻值大，所以对温度的测量会有很坏的影响，以至于测量得到的数据不准确；而另一方面当R1=R2=5.1kΩ时，从上面的表格可以知道，桥路压差又太小了，经过运算放大后的数据仍小输入到A/D转换器，对A/D转换不利，同时桥路压差太小时，数据的变化不大，也不利于很精细进行各个温度点的测量，所以对于R1=R2=5.1K的方案也不予采纳，对于1KΩ和2KΩ的电桥所测得的数据压差合适，伴着R1越小越好的原则在本设计中我们决定采用R1=R2=1KΩ。

表1

图1

1.2 在0℃、100℃、常温条件下的测量

实验时我们测量了冰水混合物的温度，我们将铂电阻放在冰水混合物一段时间后，用数字万用表测量铂电阻的阻值为99.86Ω，通过查铂电阻的分度表可知理论上0℃时铂电阻的电阻为100Ω，误差为0.14%，测出桥路输出电压为0mV,放大电压输出为0.42mV；另一方面我们测量了沸水的温度，将铂电阻放在沸水中一段时间后测量铂电阻的阻值为138.43Ω，由分度表查得理论上100℃时铂电阻的电阻为138.505，误差为0.107%测出桥路输出电压为42.02mV,放大电压输出为3.307V；在常温环境下，我们测出铂电阻的电阻为110.84，用水银温度计测得当时的温度为27℃, 由分度表查得理论上27℃是铂电阻的电阻为110.51，误差为0.29%，由试验可知测得的冰水混合物和沸水的温度都和理论上的温度有误差，造成误差的原因是多方面的，一方面是铂电阻本身的不准确，另一方面是仪表的原因，再就是冰水混合物和沸水的不纯，所以为了减小误差我们应从这几方面考虑，然后尽可能的减小误差。

2、提高精度的方法

2.1 提高热电阻测量精度的方法：

有时热电阻安装的地方离仪器较远，环境温度的变化将影响到连结导线的电阻，从而造成测量误差，因为导线电阻与热电阻相串联。为了克服导线电阻的影响，设计了三线法,这种引线方式主要用于高精度的温度检测。

三线法可以消除连接导线电阻随温度变化对测量的影响，但和热电阻串联的电位器的中心触点电阻与检流计串联，不影响温度准确度。

2.2 桥路电阻材料的选择

根据构成电阻的材料的不同电阻可以分为以下几种：金属膜电阻，金属氧化膜电阻，热分解碳膜电阻，合金电阻等，这些电阻各有特点，比较如下：

金属膜电阻温度系数。电压系数和噪声都比较小，适用于精密的电子设备中，缺点是膜层较薄，在脉冲负荷下的稳定性不高。

金属氧化膜电阻耐热性好，化学稳定性好，在空气中不易被氧化，且具有较好的机械性能，硬度大，耐磨，不易损伤。但氧化膜在潮湿的空气中、直流电压下容易还原。此外，大多数金属氧化膜属于半导体，与金属引线的接触会产生较大的接触电阻。

热分解碳膜电阻具有较高的化学稳定性和较大的电阻率。所以碳膜电阻的阻值范围宽，稳定性好，受电压和频率的影响较小，温度系数不大且是单值，工艺简单。

精密合金电阻具有高度的温度性，温度系数很低，随时间的稳定性好，除了内部结构的变化以外其他老化因素的影响较小，因此合金型电阻可制成精密电阻。

锰铜丝电阻的性能很好，温度系数小，比较稳定。

为了提高精度，理论上桥路电阻的阻值应保持不变，但实际上由于桥路电流的存在，导线和电阻都具有一定的温度系数，会发热，所以电阻的阻值总会有所变化，我们应着手使电阻阻值的变化尽可能的小，故我们应选择温度系数尽可能小的电阻，综合上面的比较我们可以选择锰铜丝材料的电阻，我们实验室有锰铜丝需要绕成电阻，由于时间紧促，我们没有绕，使用了我们试验室现成的碳膜电阻。

2.3 增加桥路电源的稳定性来提高测量精度

桥路电源稳定与否对于整个设计有着至关重要的作用，因为一旦电源不稳定，我们在进行测量时将会被一直来回变化而稳定不下来的测量数据所困扰着，甚至会出现测量数据波动幅度很大的情况，以至于无法计数，所以选择一个稳定的桥路电源是很有必要的，在本次设计中我们选择美国摩托罗拉公司的精密稳压源TL431作为桥路电源。

TL431为美国摩托罗拉公司的产品，称为可控精密稳压源，这种三端集成电路在功能上相当于一只低温度系数的可变稳压值的稳压二极管，由于其内部有一个2.5V的精密参考电压源，借助两只外接电阻稳压值又可在2.5～36V连续可调，且输出电流较大，使得它在许多电路中得到广泛的应用。

[1] 张宝芬,曹丽.自动检测技术及仪表控制系统.化学工业出版社

[2] 李进, 宋滨主编.电子技术实验.青岛科技大学信控电子教研室

[3] 崔忠勤等编.标准集成电路数据手册.运算放大器.电子工业出版社

[4] 中国计量出版社 组编 .新编电子电路大全.中国计量出版社