CN2055253U - 精密恒流源式热电阻温度变送器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种将热电阻温度传感器的电阻信号线性地转变成电压信号的精密恒流源式热电阻温度变送器，适用于数据采集系统的多点精密温度变送。该变送器由机箱、精密恒流源变送电路和稳压电源电路组成。采用双路恒流源三线制和零点迁移以及双回路负反馈技术，使其具有极高的变送精度，配用该变送器可使数据采集仪的测温准确度达±0.05℃以上，并且可使整个仪器的测量线路简单，成本低，性能稳定可靠，也适用于各种需要用电阻式传感器进行精密宽量程测量的仪器。

Description

本实用新型属于温度测量仪器类。

数据采集仪中用于温度测量的热电阻温度变送器，多年来一直袭用无源电桥电路，这种电路存在电阻信号向电压的转换是非线性的问题，这样不利于热电阻本身的非线性校正和标度还原；同时当热电阻引线较长时，引线电阻会产生附加误差，难于实现100℃量程范围内精度高于±0.1℃的测量。其主要原因是由于桥臂电流不恒定造成的。

近年来，国外一些精密数据采集仪中的热电阻温度变送器开始采用恒流源式温度变送电路。由于测量量程起始热电阻值不为零，而造成恒流源温度变送器的输出电压在量程的起点不为零。这将损失仪器的相当一部分有效量程，使仪器的分辨率下降；也有使用恒流源加电桥的办法（即以恒流源作为桥路电源）来克服恒流源的上述缺点，但这样保留了电桥的一些缺点；也有采用高分辨率的A／D变换器来弥补由于使用了恒流源而造成的分辨率下降之缺点，但这又将使整个仪器的成本大幅度上升。

本实用新型的目的是要提供一种恒流源式热电阻温度变送器，使其既能保证高的温度变送精度，又不增加仪器的成本，保留了电桥和恒流源作为热电阻温度变送器的优点，进而使恒流源作为温度变送器的优点得以充分发挥。

本实用新型由机箱、精密恒流源变送电路和稳压电源电路组成。其特征在于：精密恒流源变送电路由电压基准源、参考恒流源和测量恒流源组成；每路恒流源包括有主副两路电流负反馈回路，在测量恒流源上接入测温热电阻，在参考恒流源上接入一个精密固定电阻，其阻值为测温热电阻在量程起点的值。由于两路恒流源的电流值调成相等，因而可实现零点迁移，并使参考恒流源与测量恒流源同热电阻采用三线制接法，以消除引线电阻造成的误差；同时在电路中还设计有一个用于温度补偿的反馈电阻，用来降低恒流源的温漂。

本实用新型的精密恒流源变送电路通过测量恒流源电流在测温热电阻上的压降与参考恒流源电流在精密固定电阻上的压降之差作为精密恒流源变送电路的输出电压，实现温度变送。

本实用新型的优点在于：恒流源采用了双回路电流负反馈技术，使恒流源具有很高的负载调整率，极小的时漂和温漂，其中温漂为2ppm／℃，时漂为：短期优于10ppm／8小时和长期优于50ppm／100天，负载调整率优于5ppm／9k，因此适合数据采集仪长期高精度测量使用，而不需经常校正；克服了电桥热电阻温度变送器流过热电阻电流不恒定的缺点，可以保证流过热电阻的电流高度恒定，实现了电阻向电压的线性转换，这样变送器的输出电压与温度之间的非线性完全反映了热电阻本身的非线性，因而便于使用热电阻本身的电阻－温度特性拟合方程进行热电阻的非线性校正，使校正精度大幅度提高；采用双路恒流源结构，并通过参考源来实现零点迁移，这样克服了单路恒流源热电阻温度变送器输出电压起点不为零的缺点，不损失仪器的有效量程，因而可使用普通的廉价A／D转换芯片得到较高的分辨率（如用4位半A／D转换器在0～100℃量程就可得到约0.005℃的分辨率），同时双路恒流源结构可实现三线制有效地消除引线电阻带来的误差；零点迁移不单独使用电压基准，而是通过参考源在一个精密电阻上得到，可以降低成本，同时由于参考源与测量源共用一个电压基准，且具有同等精度，因此不会由于零点迁移而降低变送器的精度和稳定性。由于上述优点使得配备该精密恒流源式热电阻温度变送器的数据采集仪的测温精度大幅度提高，而价格大大低于国外同等精度水平的测温数据采集仪，其测温准确度在0～100℃量程内可达±0.05℃以上。

以下结合附图及实施例进一步说明本实用新型。

图1是本实用新型的精密恒流源式热电阻温度变送器的框图。

其中2是稳压电源电路，向精密恒流源变送电路1提供±15V的直流电压，热电阻R 通过三根引线接于精密恒流源变送电路的A、B、C三个端子上，输出电压由H、L两个端子引出。

图2为本实用新型的精密恒流源式热电阻温度变送器的外形结构示意图。

图2（a）中的3为机箱的前面板，4为电源开关；

图2（b）中的5是机箱的后面板，电源线、热电阻引线及输出电压信号线均接于机箱的后面板上，6是热电阻引线的接线端子，7是精密恒流源电路输出电压信号的接线端子，输出电压由这里输出，8是电源线插座。

图3是本实用新型的精密恒流源变送器的电路图。

由图可见，精密恒流源变送电路由电压基准源、参考恒流源和测量恒流源组成。电压基准源由一个精密电压基准二极管D_Z1和由运算放大器A₁、电阻R₁、R₂、R₃、R₄组成的基准电压缓冲器组成；在这一电压基准源上挂两路恒流源，一路为参考恒流源，由运算放大器A₂、场效应管T₁和电阻R₅、R₆、W1组成；一路为测量恒流源，由运算放大器A₃、场效应管T₂和电阻R₇、R₈、W₂组成。

每路恒流源又包括两路电流反馈回路，其一是主回路，由参考恒流源中T₁的S经R₆到N点和测量恒流源中T₂的S经R₈到N点为主回路，主要决定恒流源输出电流的大小；另一路是副回路，由参考恒流源中T₁的S经R₅、W₁到M点和测量恒流源中T₂的S经R₇、W₂到M点为副回路，主要起温度补偿和电流微调的作用。由于恒流源的温漂主要由反馈电阻的温漂引起，故设置副回路对于减小恒流源的温漂具有重要作用。

三根测量引线的三线制接法是电源正极经电阻R_b接于测量引线A，并在E点分为两路，一根线经测量引线B接到精密电阻R₀的一端并经R₀的另一端回到参考恒流源场效应管T₁之漏极D，构成参考恒流源电流回路；另一根经测温热电阻R_t后再经测量引线C回到测量恒流源场效应管T₂之漏极D，构成测量恒流源电流回路。

以参考源为例，恒流源的输出电流由下式给出：

I₁＝V_Z1(R₃)/(R₄) · 1/(R₆) －V_Z11/(R₅+W)

由于W₁、R₅和R₆均选正温度系数，且适当匹配，因此反馈电阻温漂对恒流源精度的影响可以得到补偿。

本精密恒流源变送电路的零点迁移和三线制是由参考恒流源来实现的。图3中R_t为测温热电阻，R₀为精密固定电阻，其值取R_t在测温量程起始点t₀时的值R_t0，同时I₁＝I₂＝I这样当温度为t₀时，精密恒流源变送电路的的输出电压为：

V₀＝I₂R_t0－I₁R₀＝I（R_t0－R₀）＝OV

从而实现了将精密恒流源变送电路输出的零点从I₂R_t0迁移到OV之目的，这是参考恒流源的一个作用；参考恒流源的另一个作用是与测量恒流源共同组成三线制以消除引线电阻的影响，图3中r_A、r_B、r_C分别为连接热电阻的三根引线的电阻。通常引线的长度可达几十米至几百米，所以引线的电阻可达几欧姆。当采用了三线制接法后，由于三根引线长度相等，所用的材料和线径也相同，故r_A＝r_B＝r_C，又由于I₁＝I₂＝I故在r_B和r_C上产生的压降可相互抵消，使变送器的输出电压为：

V₀＝I（R_t－R₀）＋I（r_C－r_B）＝I（R_t－R₀）

与引线电阻无关。可见设置参考恒流源既完成了零点的迁移又实现了三线制之双重功能。

本实用新型既可单独作为精密恒流源式热电阻温度变送器，其中的精密恒流源电路亦可直接组装在数据采集仪中作精密热电阻温度变送。

Claims (1)

1、一种精密恒流源式热电阻温度变送器，由机箱、精密恒流源变送电路和稳压电源电路组成，其特征在于：

精密恒流源变送电路的电压基准是由精密电压基准二极管D₂₁和缓冲器A₁、R₁、R₂、R₃、R₄组成；在这个电压基准上挂有两个恒流源，由A₂、T₁、R₅、W₁、R₆组成参考恒流源，由A₂、T₂、R₇、R₀组成测量恒流源，两个恒流源与电压基准在O、M、N三点连接；

参考恒流源由电阻R₆从T₁的S到N点构成主反馈回路，由电阻R₅，W₁从T₁的S到M点构成副反馈回路；

测量恒流源由电阻R₀从T₂的S到N点构成主反馈回路，由电阻R₇、W₂从T₂的S到M点构成副反馈回路；

由三根引线构成的三线制接法是电源正极经电阻R₁接于测量引线A，并在E点分为两路，一根线经测量引线B接到起零点迁移作用的精密固定电阻R₀的一端并经R₀另一端回到参考恒流源场效应管T₁之漏极D，构成参考恒流源电流回路，另一根经测量热电阻R_t后再经测量引线C回到测量恒流源场效应管T₂之漏极D，构成测量恒流源电流回路；

精密恒流源的输出电压V₀由L和H两点引出。

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