CN111207851A - 一种六线制分离式惠斯通电桥测温结构及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种六线制分离式惠斯通电桥测温结构及方法，该结构包括三个铜热电阻R₁、R₂、R₃、和一个铂电阻R_t。其特征在于：该惠斯通电桥由铜热电阻R₁、R₂、R₃、和一个铂电阻R_t组成，铜热电阻R₁和铂热电阻R_t组成一侧桥臂，铜热电阻R₂、R₃组成另一侧桥臂。六根导线分为三组：A₁、A₂为该结构的供电导线，连接到惠斯通电桥的两侧；B₁、B₂为测量该结构实际供电电压导线，也连接到惠斯通电桥的两侧；C₁、C₂为测量惠斯通电桥桥臂电压差值导线，C₁连接到电路节点Y，C₂连接到电路节点X。该测温结构适合长距离、高分辨率、高准确度的温度测量应用，优点是支持后级放大器的高放大倍数测量，可以消除长距离带来的导线电阻及温差热电势对测量结果的影响。

Description

一种六线制分离式惠斯通电桥测温结构及方法

技术领域：

本发明涉及长距离温度测量技术、高分辨率温度测量技术、高准确度温度测量技术等，具体指一种六线制分离式惠斯通电桥测温结构，可广泛应用于长距离、高分辨率、高准确度温度测量领域中。

背景技术：

实现长距离、高分辨率、高准确度温度测量对于科学研究及工业控制具有重要的现实意义，而由于温差热电势及导线电阻的影响，诸如隧道、矿井、深海及空间站等应用场合的温度测量结果往往偏差很大，且测温元件与模拟信号采集电路板的距离越长，偏差会越大。例如在对深100米的矿井测温时，地面温度为25℃，矿井内部温度为50℃，采用现有的三线制惠斯通电桥测量会由于温差热电势而带来约0.125mV的误差影响，且随着测量温度越高，电桥越来越不平衡，电桥两侧的电流差异越来越大，导线电阻带来的电压误差便不可抵消，越来越大；若采用现有的恒流源激励的四线制铂电阻测温方法，虽然导线电阻及温差热电势对测量结果的影响较小，但由于工作电压的限制，后级放大器对该电压信号不可能放大很多倍，导致测量电压随温度变化的幅度非常小，极大地加强了对电路噪声处理和模数转换器精度位数的要求，电路设计十分困难。目前，在公开可调研的文献中还没有发现与本发明类似的技术。

发明内容：

本发明主要目的是解决长距离下的温度测量准确度不高、分辨率受限的问题，利用六线制分离式惠斯通电桥结构来消除导线电阻、温差热电势的影响，温度测量范围与温度分辨率设计灵活，从而实现长距离、高分辨率、高准确度的温度测量。

整个测温结构由4个电阻组成惠斯通电桥，其中三个电阻R₁、R₂及R₃为铜热电阻，另一个电阻为铂热电阻R_t。A、B、C为该结构的三组导线，其中A组导线中的A₁和A₂为该结构供电，B组导线中的B₁和B₂测量该结构的实际供电电压，C组导线中的C₁和C₂测量该结构的桥臂电压差值。本发明的结构示意如图1所示。

当该六线制分离式惠斯通电桥测温结构连接长导线进行温度测量时，其电路结构模型简化为图2所示。r_ij、E_ij分别为第i组第j根导线上的导线电阻与温差热电势(i＝A,B,Cj＝1,2),M、N、X和Y为电路节点名称。

本发明的使用方法如下：

1.通过A组导线为该结构进行供电，其电源电压为VCC。

2.使用B组导线测量该结构的供电电压U_p。

3.使用C组导线测量该结构的桥臂电压差值U_t。

4.计算得到当前的温度值t。

铜热电阻R₁、R₂、R₃的阻值换算公式为：

R_i＝R_Cui(1+αt),i＝1,2,3#(1)

其中R_Cui为第i个铜热电阻在0℃时的电阻值，α为铜热电阻的电阻温度系数，由生产厂商给出，一般为4.25～4.28×10^-3/℃。

铂热电阻R_t的阻值换算公式为：

R_t＝R_Pt0(1+Tt)#(2)

其中R_Pt0为铂热电阻在0℃时的电阻值，T为铂热电阻的电阻温度系数，由生产厂商给出，一般为3850ppm/℃。

由于B、C两组导线用于对该结构的电压进行测量，一般后级接仪表放大器，其输入阻抗约为10GΩ，则导线电阻r_b1、r_b2、r_c1和r_c2上损失的电压可忽略不计。可得：

其中U_MN为M、N节点的电压差，U_YX为Y、X节点的电压差。在使用本发明时，尽可能选用相近的导线及焊接方法可使B、C两组导线上的温差热电势之差忽略不计。

代入公式(1)、公式(2)可得：

代入具体数值后便可求得所测温度值。

本方法的有益效果在于消除了长距离带来的导线电阻及温差热电势对测量结果的影响，支持后级放大器的高放大倍数测量，温度测量范围与温度分辨率设计灵活，从而实现长距离、高分辨率、高准确度的温度测量。

附图说明：

图1为六线制分离式惠斯通电桥测温结构示意图。

图2为长距离测量环境下的六线制分离式惠斯通电桥测温结构电路模型图。

具体实施方式：

根据说明书中所述的六线制分离式惠斯通电桥测温结构，该结构包括三个铜热电阻R₁、R₂、R₃、和一个铂电阻R_t。其特征在于：该惠斯通电桥由铜热电阻R₁、R₂、R₃、和一个铂电阻R_t组成，铜热电阻R₁和铂热电阻R_t组成一侧桥臂，铜热电阻R₂、R₃组成另一侧桥臂。六根导线分为三组：A₁、A₂为该结构的供电导线，连接到惠斯通电桥的两侧；B₁、B₂为测量该结构实际供电电压导线，也连接到惠斯通电桥的两侧；C₁、C₂为测量惠斯通电桥桥臂压差导线，C₁连接到电路节点Y，C₂连接到电路节点X。

R₁、R₂、R₃和R_t的阻值视实际测温范围需要而定，例如：设计在25℃情况下，该测温结构的桥臂电压差值输出为0V，可令R₁、R₂和R_t在0℃时的阻值为100Ω，由于铂热电阻R_t在25℃时的阻值为109.73Ω，则铜热电阻R₃在25℃时的阻值也为109.73Ω，假定该铜热电阻R₃的温度系数α＝4×10^-3/℃，反推得到该铜热电阻R₃在0℃时的阻值为99.75Ω。

Claims (2)

1.一种六线制分离式惠斯通电桥测温结构，该结构包括三个铜热电阻R₁、R₂、R₃、和一个铂电阻R_t。其特征在于：该惠斯通电桥由铜热电阻R₁、R₂、R₃、和一个铂电阻R_t组成，铜热电阻R₁和铂热电阻R_t组成一侧桥臂，铜热电阻R₂、R₃组成另一侧桥臂。六根导线分为三组：A₁、A₂为该结构的供电导线，连接到惠斯通电桥的两侧；B₁、B₂为测量该结构实际供电电压导线，也连接到惠斯通电桥的两侧；C₁、C₂为测量惠斯通电桥桥臂压差导线，C₁连接到电路节点Y，C₂连接到电路节点X。

2.一种基于权利要求1所述的六线制分离式惠斯通电桥测温结构的测温方法。其特征在于：首先，通过A组导线为该结构进行供电，其电源电压为VCC；其次，使用B组导线测量该结构的供电电压U_p；再次，使用C组导线测量该结构的桥臂电压差值U_t；最后，计算得到当前的温度值t，具体测温方法如下：

铜热电阻R₁、R₂、R₃的阻值换算公式为：

R_i＝R_Cui(1+αt),i＝1,2,3 (1)

其中R_Cui为第i个铜热电阻在0℃时的电阻值，α为铜热电阻的电阻温度系数，由生产厂商给出，一般为4.25～4.28×10^-3/℃。

铂热电阻R_t的阻值换算公式为：

R_t＝R_Pt0(1+Tt) (2)

其中R_Pt0为铂热电阻在0℃时的电阻值，T为铂热电阻的电阻温度系数，由生产厂商给出，为3850ppm/℃；

由于B、C两组导线用于对该结构的电压进行测量，一般后级接仪表放大器，其输入阻抗约为10GΩ，则导线电阻r_b1、r_b2、r_c1和r_c2上损失的电压可忽略不计；可得：

其中U_MN为M、N节点的电压差，U_YX为Y、X节点的电压差。在使用本发明时，尽可能选用相近的导线及焊接方法可使B、C两组导线上的温差热电势之差忽略不计；

代入公式(1)、公式(2)可得：

代入具体数值后便可求得所测温度值。

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