[發明專利]一種六線制分離式惠斯通電橋測溫結構及方法

有效

• 申請號: 202010051794.X
• 申請日: 2020-01-17
• 公開（公告）號: CN111207851B
• 公開（公告）日: 2021-06-15
• 發明（設計）人: 丁雷;辛世杰;裴浩東;楊溢
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海技術物理研究所
• 主分類號: G01K7/20
• 分類號: G01K7/20
• 代理公司: 上海滬慧律師事務所 31311
• 代理人: 郭英

本發明公開了一種六線制分離式惠斯通電橋測溫結構及方法，該結構包括三個銅熱電阻R₁、R₂、R₃、和一個鉑電阻R_t。其特征在于：該惠斯通電橋由銅熱電阻R₁、R₂、R₃、和一個鉑電阻R_t組成，銅熱電阻R₁和鉑熱電阻R_t組成一側橋臂，銅熱電阻R₂、R₃組成另一側橋臂。六根導線分為三組：A₁、A₂為該結構的供電導線，連接到惠斯通電橋的兩側；B₁、B₂為測量該結構實際供電電壓導線，也連接到惠斯通電橋的兩側；C₁、C₂為測量惠斯通電橋橋臂電壓差值導線，C₁連接到電路節點Y，C₂連接到電路節點X。該測溫結構適合長距離、高分辨率、高準確度的溫度測量應用，優點是支持后級放大器的高放大倍數測量，可以消除長距離帶來的導線電阻及溫差熱電勢對測量結果的影響。

技術領域：

本發明涉及長距離溫度測量技術、高分辨率溫度測量技術、高準確度溫度測量技術等，具體指一種六線制分離式惠斯通電橋測溫結構，可廣泛應用于長距離、高分辨率、高準確度溫度測量領域中。

背景技術：

實現長距離、高分辨率、高準確度溫度測量對于科學研究及工業控制具有重要的現實意義，而由于溫差熱電勢及導線電阻的影響，諸如隧道、礦井、深海及空間站等應用場合的溫度測量結果往往偏差很大，且測溫元件與模擬信號采集電路板的距離越長，偏差會越大。例如在對深100米的礦井測溫時，地面溫度為25℃，礦井內部溫度為50℃，采用現有的三線制惠斯通電橋測量會由于溫差熱電勢而帶來約0.125mV的誤差影響，且隨著測量溫度越高，電橋越來越不平衡，電橋兩側的電流差異越來越大，導線電阻帶來的電壓誤差便不可抵消，越來越大；若采用現有的恒流源激勵的四線制鉑電阻測溫方法，雖然導線電阻及溫差熱電勢對測量結果的影響較小，但由于工作電壓的限制，后級放大器對該電壓信號不可能放大很多倍，導致測量電壓隨溫度變化的幅度非常小，極大地加強了對電路噪聲處理和模數轉換器精度位數的要求，電路設計十分困難。目前，在公開可調研的文獻中還沒有發現與本發明類似的技術。

發明內容：

本發明主要目的是解決長距離下的溫度測量準確度不高、分辨率受限的問題，利用六線制分離式惠斯通電橋結構來消除導線電阻、溫差熱電勢的影響，溫度測量范圍與溫度分辨率設計靈活，從而實現長距離、高分辨率、高準確度的溫度測量。

整個測溫結構由4個電阻組成惠斯通電橋，其中三個電阻R₁、R₂及R₃為銅熱電阻，另一個電阻為鉑熱電阻R_t。A、B、C為該結構的三組導線，其中A組導線中的A₁和A₂為該結構供電，B組導線中的B₁和B₂測量該結構的實際供電電壓，C組導線中的C₁和C₂測量該結構的橋臂電壓差值。本發明的結構示意如圖1所示。

當該六線制分離式惠斯通電橋測溫結構連接長導線進行溫度測量時，其電路結構模型簡化為圖2所示。r_ij、E_ij分別為第i組第j根導線上的導線電阻與溫差熱電勢(i＝A,B,Cj＝1,2),M、N、X和Y為電路節點名稱。

本發明的使用方法如下：

1.通過A組導線為該結構進行供電，其電源電壓為VCC。

2.使用B組導線測量該結構的供電電壓U_p。

3.使用C組導線測量該結構的橋臂電壓差值U_t。

4.計算得到當前的溫度值t。