热电阻四线制连接法在恒流驱动中的应用及分析

【摘要】对热电阻感温元件四线制加接法在恒流驱动电路中的应用作了分析，证明构成恒流源的运放反馈电阻足够大时，热电阻四线制连接法可有效的减小传感器接线电阻和接插件的接触电阻变化时温度测量读数的影响。
　　热电阻作为温度传感器得到了广泛的应用.一般采用二线制或三线制接入驱动电路;当需要正确测量温度或传感器的引线很长时.则采用四线制接人驱动电路,以彻底消除传感器导线电阴和接插件连接处的接触电阻对测试结果的影响。在恒流驱动电路中.热电阴Rt的两电流引线接恒流源,两电压引线接高阻抗电压表,如图1所示.图中温度信号输出电压直接取自热电阻两端:R3R4为两电流引线的电阻，RI.R2为两电压引线电阻.这里引线电阻包括导线电阻和连接件的接触电阻。由于与Rr并联的电压.表测量支路的阻抗很高.因此漏电流极小.恒流源的电流全部从Rr流过.流过Rr的电流是一个常数.在电压表测量问路中，由于输人阻抗很大.R1和R2上的压降可以忽略.电压表上测得的电压为Rr上.的压降(只与热电阻的温度有关).这种电路分析比较简单.
 
　　另一种恒流驱动电路.其输出电压并不直接取自热电阻两端;对这种形式的电路,有必要作进一步的分析。
一. 不直接从热电阻两端输出的恒流驱动电路
 
　　在图2中.热电阻R接在由运放IC组成的恒流源电路的反馈回路中恒流源给Rr提供一个恒定电流.运放的输出为温度信号的输出。图中热电阻Rr采用-一.线制连接法接入恒流源,r1，与r2为Rr的两接线电阻(包括导线电阻及接插件的接触电阻两部分).运放的开环增益Ao很大时，运放输出电压的表达式为
 
　　若热电阻在0℃时阻值为Ro.在任意温度t时阻值为
 
　　其中△R为温度t的线性函数或近似线性函数，在t=0℃时,△R取零值.在实际测温中，要求温度为零时，输出电压为零。为此应调节Rs.Rt的阻值使
 
　　由(4).式知，热电阻的接线电阻r1和r2将影响输出信号电压的大小r1和r2不是恒定的，它们随环境温度以及接插件的连接状况而变化.月不能通过校准来消除掉.因此将引入测试误差。
二.四线制连接法在恒流驱动电路中的应用
　　为了克服上述恒流驱动电路中热电阻的引线电阻的影响，可以采用四线制连接法将热电阻接人电路(见图3).其电流引线的电阻为rs和.R4.电压引线电阻为r1和IC2为下一级放大的运算放大器。假设运放的开环放大倍数Ao=ꝏ且下一级放大器的输入阻抗为无穷大.图3的等效电路图可简化为图4的形式。
 
　　图中V.n为反相端电压，Vp为同相端电压.I为Rr中流过的电流，Vr为Rr上的压降，Veu,为输出电压:由于Ao=ꝏ,在Rr和R。+r3构成的负反馈网络的作用下。Vn=Vp,运放输入阻抗上的电压为零.没有电流流过.与它串接的引线电阻r1上也无电流流过.其上压降为零,所以图4中不予考虑.同样,由于下级放大器的输人阻抗为无穷大,无电流流过,与它串接的引线电阻r2也没有电流流过.其压降为零,在图4中也不子考虑。由图4很容易导出
 
　　由(11)式看出.输出电压与热电阻的变化量AR呈线性关系。若热电阻阻值与温度变化也呈线性关系，则输出电压与温度呈线性关系。由(9)式求差分得到引线电阻变化引起的输出变化为
 
(14)式给出引线电阻变化引起的温度误差。从(14)看出.采用四线制接线法以后.只有引线电阻r1的变化值△r3会产生温度误差.该误差与电阻Ra成反比。为了使误差尽可能小。应采用较大阻值的R.但R。不能太大。否则流过Rr的电流将减小,使输出信号电压减小，因此R.的选择应折中考虑。
　　在实际工作中.我们设计了一个驱动热电阻的恒流源电路(见图5).由稳压电源输出的-7.5V电压.经电阻R和2DW7C型精密稳压管D构成的稳压器再次稳压后，给恒流源提供一6.2V的高稳定的基准电压源E;热电阻Rr采用四线制接人恒流源电路.引线长2米.用插头座与电路连接,Rb与Re的比例关系可通过电位.器调节.用以满足温度为零输出为零的条件.Rr为铜热电阻，其零度阻值为Ro=20欧，在0~100℃范围内.具有非常理想的线性关系:温度每变化1度.电阻变化0.085欧。
 
　　为了验证四线制连接法的作用(测试温度为零).在四线中分别依次串入0.1欧的电阻来模拟引线电阻的变化.结果发现温度指示无变化.若用(14)式计算,其对应的温度误差为
 
　　这一误差已超出实验装置温度指示的灵敏度范围.实验装置的温度指示的分腓率为0.1℃.从这里可以看出.四线制连接法有效地消除了引线电阻变化所带来的测温误差。
四.结论
　　在运算放大器输出端输出温度信号的恒流源驱动电路中,采用四线制连接法把热电阻接入电路,能有效地减小引线电阻变化引起的温度误差,这种方法可以完全消除两电压引线电阻和一电流引线电阻变化产生的误差、另一电.流引线可引起的误差也可大大降低。为了减小引线带来的测温误差,应使运算放大器反馈网络中的电阻R。取足够大的阻值。