自动平衡记录仪表改值技术的研究及主要技术性能的评定

李晓仲，周建军

(天津市计量监督检测科学研究院 天津 300192)

温度是工农业生产、科学技术研究、环境测量等领域最普遍、最重要的物理量之一。物体的许多物理现象和物质的化学性能都与温度参数有关，物质的反应过程和产品生产过程等都是在一定温度范围内进行的，所以在社会生产生活和科学实验活动中，经常会遇到温度和温度测量问题。而温度是不能直接加以测量的，只能借助于冷热不同的物体之间热交换以及物体的某些物理性质随温度变化而变化的特性加以间接测量。

热电阻温度传感器是温度测量中使用最广泛的感温仪表。我国过去一直沿用“68温标”的热电阻分度表进行计量，其分度数值与当前国际温标热电阻分度表有很大差值，同时许多国家都已经采用了新的热电阻分度表值。为了加快科技进步和技术交流，促进机电产品的出口，引进设备配套，提高测量温度技术水平，我们也要按照国际通用标准进行工农业生产、科学研究、计量检测等工作。很显然，热电阻新分度值的应用，旧分度值热电阻的淘汰与目前在用的尚未改值的自动平衡记录仪表(以下简称“仪表”)不配套的矛盾日益突出，温度计量检测中会产生温度示值从几摄氏度到几十摄氏度的误差，也将会对温度介质中试验的产品质量造成很大影响，甚至使产品报废，造成巨大的经济损失，这在计量工作中是绝对不能允许的。

如何做好仪表的改值，本文通过对仪表工作原理和工作过程的分析，设计了改值方法，经过对改值后仪表计量检定，各计量参数均符合相应计量技术规范要求。

1 仪表的工作原理和工作过程

与热电阻温度传感器配合使用的仪表一般称为电子自动平衡电桥，主要组成部分由图1所示。

图1 电子自动平衡电桥构成框图Fig.1 Block diagram of an electronic auto-balanced bridge

电子自动平衡电桥的测量电路利用平衡电桥的基本原理工作，用放大电路代替测量电路中的检流计，将电路输出的不平衡电压放大并使内部驱动电机旋转，带动平衡机构，改变仪表中比较臂电阻的滑动触点位置，使平衡电桥达到平衡状态，根据滑触点的位置，显示相对应被测对象的温度参数。当热电阻温度传感器所处环境温度发生改变时，其电阻参数也发生变化，重复上述过程，仪表能够达到新的平衡状态，从而实现了连续自动显示被测温度参数。为了便于分析，我们先讨论简单的测量桥路。

1.1 电子自动平衡电桥测量电路的基本原理

图2 具有检流计的测量桥路Fig.2 Measuring bridge circuit with a galvanometer

图 2是一个具有连接检流计形式的典型的电子自动平衡电桥测量桥路，热电阻 Rt为其中的一个桥臂，为了减少连接导线电阻值因环境温度变化而引起的测量误差，它与桥路采用三线制接法。为使测量电路调整方便，在桥路桥臂中串接了滑线电阻 r，改变滑线电阻r中滑触点A的位置即可以改变与滑触点A相邻的两臂电阻值r1、r2。

当温度传感器处在下限温度时，滑触点 A处于滑线电阻的最右端，测量电路处于平衡状态，以下公式成立：

当温度传感器处在上限温度时，滑触点 A处于滑线电阻的最左端，测量电路处于平衡状态，以下公式成立：

因此在所测量的上下限温度范围内，当测量电路达到平衡状态时，热电阻 Rt的电阻值便有一个与其相对应的滑触点 A的位置并标以温度值，这样就可以指示出对应于Rt值时的温度值。

上面所介绍的测量电路中若检流计的功能用放大电路代替，滑动电阻中的滑触点 A的位置移动由驱动电机通过一系列机械齿轮而改变，成为电子自动平衡电桥的主要组成部分。

1.2 改值原理和桥路计算

使用二种分度号热电阻的温度传感器，电子自动平衡电桥在测量范围内微分值存在差值，因此就有指示误差。如配接 G分度号铜热电阻的桥路改为配接Cu,50新分度号的铜热电阻，则测量点 0,℃时指示值偏低约 13.4,℃，测量点 150,℃时则指示值偏低约21.7,℃。对配以铂热电阻分度值 BA2的电子自动平衡电桥改为配接分度值Pt,100铂热电阻时，0,℃处没有误差，在 500,℃时指示值将会偏低 7.3,℃；如果铂热电阻分度值 BA1配接的电子自动平衡电桥，配接铂热电阻分度值 Pt,100时，则新、旧分度号分度值、微分值的不同使得温度测量误差更大。因此必须对测量电路及附属机构进行改值和重新设计，保证计量参数正确和准确度等级符合计量技术规范要求。

由于考虑到桥路滑线电阻不工作区域以及电桥参数的调整，测量桥路见图3所示：

图3 测量桥路图Fig.3 Diagram of bridge circuit measuring

Rt：热电阻的电阻值(Ω)；

ΔRtm＝Rt1－Rt0：相当于整个仪表刻度范围内热电阻的电阻变化值；

Rt1、Rt0：表示相应于仪表标尺下限和上限时热电阻的电阻值；

E：桥路电源电压(V)；

Itm：流过热电阻工作电流的重大值；

R2、R3、R4：桥路稳定时固定电阻值；

R5：调整仪表量程的电阻；

R6：调整仪表下限刻度的电阻；

Rp：测量桥路的滑线电阻；

RB：将滑线电阻并联成标准电阻值90,Ω的电阻；

R7：用作交流电桥时的限流电阻(Ω)(直流电桥时 R7＝0)；

Rnp：电阻Rp、RB与R5 3个电阻值并联后的等效电阻(Ω)；

λ：滑线电阻每端不工作部分电阻和整个滑线电阻之比值(一般λ 值为 0.03～0.05)；

R1：连接导线的等值电阻，R1＝2.5,Ω。

1.2.1 桥路计算应注意的几个要点：

① 工作状态时保证流过热电阻的电流不超过6,mA的允许值；

② 取R3＝R4，这样可以使连接导线的附加误差忽略不计；

1.2.2 R2＝R3＝R4测量桥路计算公式

1.2.3 R3＝R4测量桥路计算公式

①小量程取i＜1；②大量程取i≥2。

公式：

如果按照公式(1-6)计算得到的R3值为小数，为了加工制作方便及保证仪表灵敏度我们可以将其取为整数，根据R3的数值再依据公式(1-6)重新计算其他值。

2 电子自动平衡电桥测量桥路改值计算实例及分析

根据上述仪表工作原理、过程和测量电路的计算方法，我们有一台配温度传感器分度号为 BA1，现在要改为配温度传感器分度号 Pt,100、测量范围为(0～500)℃保持不变的自动平衡电桥进行改值计算和分析。

首先查询温度计量分度表得知，原下限电阻值Rtmin＝46.00,Ω，上限电阻值 Rtmax＝130.55,Ω，测量范围相应的电阻量程△Rt＝84.55,Ω(属于△Rtm为10～100,Ω范围)，可以选择 R2＝R3＝R4的计算方法，Ito＝3.0,mA，λ＝0.03。

依据前述计算方法：

将此值定为165,Ω。

再次查询温度计量分度表，现量程条件下，下限电阻值 Rto＝100.00,Ω，上限电阻值 Rti＝280.90,Ω，△Rti＝180.90,Ω＞100,Ω属于大量程的测量范围，故我们选取 R3＝R4＝80.00,Ω，R2＝250.00,Ω，则：

通过以上计算可知，电子自动平衡电桥已经完成了测量桥路改值计算，将改变 R3和 R4的电阻值由165,Ω调整为 80,Ω，R2的电阻值由 165,Ω调整为250,Ω，R5的电阻值由原值调整为95.367,Ω，R6的电阻值由原值调整为 97.924,Ω即可。在以上的计算过程中，要保证计算值的准确，在选择加工阻值原材料时应该注意选择温度系数小、保证能够正常通过电流的材料，以减少测量过程中的附加误差。

3 电子自动平衡电桥改值后计量性能的测试

我们对上述电子自动平衡电桥进行改值后计量参数测试。量程为(0～500)℃，准确度等级为 0.5级，原配传感器分度号是 BA1，现改变传感器分度号为 Pt,100，指示采用新分度号表盘，其他计量参数及主要技术指标应无改变。

依据《工业过程测量记录仪》国家计量检定规程技术要求，我们采用标准仪器“旋转式直流电阻箱”(最小分度值为0.01,Ω)进行测试，发现在被检刻度线下限(0,℃)出现最大指示误差为－0.41,Ω，在被检刻度线(400,℃)出现最大回程误差 0.08,Ω，行程时间 4,s，阻尼特性符合二次“半周期”。其他各项指标也均符合计量检定规程技术要求，在此不一一列举。通电大约 4,h后重新进行试验，所测数据无变化，其他技术要求也符合计量检定规程规定。至此，完成了对电子自动平衡电桥的改值工作。

4 结 论

本文通过对电子自动平衡电桥工作原理和测量电路的分析，研究了当配接不同分度值时热电阻温度传感器电路的具体计算和改值方法，这样就可以通过部分元器件的调整，使此类仪表满足符合国际温标的温度传感器。本文的论述对所有在用仪表配接新型温度传感器时的改值及操作方法具有一定指导意义。

［1］ 朱家良. 温度显示仪表及其校准[M]. 北京：中国计量出版社，2008.

［2］ 张克. 温度测控技术及应用[M]. 北京：中国计量出版社，2011.

［3］ 赵恒侠. 热工仪表与自动调节[M]. 北京：中国建筑工业出版社，1995.

［4］ 厉玉明. 化工仪表及自动化[M]. 北京：中国计量出版社，2011.

［5］ 俞金寿，孙自强. 过程自动化及仪表[M]. 北京：化学工业出版社，2011.

［6］ 国家质量监督检验检疫总局. 工业过程测量记录仪(JJG74-2005)[M]. 北京：中国计量出版社，2005.