淺析測(cè)溫電橋的選型和應(yīng)用

周春明+周健+馬寧

摘 要：標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)是國際溫標(biāo)ITS—1990中規(guī)定的中低溫區(qū)段的內(nèi)插儀器之一，它是標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)量器具，而測(cè)溫電橋是測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)的常用電測(cè)設(shè)備之一。簡(jiǎn)要介紹了常用測(cè)溫電橋的工作原理和使用要求，以期為相關(guān)實(shí)驗(yàn)室技術(shù)人員的工作提供參考。

關(guān)鍵詞：標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)；測(cè)溫電橋；電橋法；電阻橋

中圖分類號(hào)：TH811 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.05.089

與用伏安法測(cè)量電阻值的情況相比，電橋法具有明顯的優(yōu)勢(shì)。電橋法將對(duì)電參數(shù)（電壓、電流和電阻）的測(cè)量轉(zhuǎn)換為對(duì)參數(shù)的平衡檢測(cè)，而平衡檢測(cè)對(duì)電阻值的變化很敏感，電橋電源電壓值的變化不會(huì)直接影響測(cè)量結(jié)果，所以，其測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確度比較高。在測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)等對(duì)準(zhǔn)確度要求非常高的阻值時(shí)，主要是用測(cè)溫電橋測(cè)量。目前，使用頻率較高的儀器是直流測(cè)溫電橋、交流電流比較儀測(cè)溫電橋和直流電流比較儀測(cè)溫電橋。

1 直流測(cè)溫電橋

1.1 工作原理

直流測(cè)溫電橋分為單電橋（惠斯通電橋）和雙電橋（開爾文電橋）2種。 單電橋用于測(cè)量1×102～1×106 Ω范圍內(nèi)、阻值較高的電阻，而雙電橋則可以消除被測(cè)電阻引線對(duì)其的影響，用于測(cè)量100 Ω以下、阻值較低的電阻。

直流測(cè)溫電橋又被稱為史密斯電橋，其工作原理如圖1所示。

S—比較臂，固定電阻；R—比較臂，固定電阻；b—比較臂，固定電阻；Q—比較臂，固定電阻；a—可調(diào)電阻，與Q臂聯(lián)動(dòng)（a=aQ+a=Q+a）；p —鉑電阻溫度計(jì)（SPRT）；L1、L2、L3、L4—鉑電阻溫度計(jì)的4條引線

圖1 電橋工作原理圖

1.2 使用時(shí)的注意事項(xiàng)

使用直流測(cè)溫電橋時(shí)，要注意以下3點(diǎn)：①溫度的變化會(huì)導(dǎo)致各橋臂的電阻值發(fā)生變化，而且無法修正。因此，要在規(guī)定的溫度、濕度環(huán)境中使用該儀器，使基本誤差符合相關(guān)規(guī)定。②為了減小引線電阻造成的誤差，連接導(dǎo)線應(yīng)盡可能短而粗。在此過程中，要將各接線端子擰緊，避免接觸電阻不穩(wěn)定而造成電橋的不穩(wěn)定。③為了減小電測(cè)系統(tǒng)誤差值及其對(duì)標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)穩(wěn)定性的影響，在實(shí)際測(cè)溫前，要在凍制好的水三相點(diǎn)瓶中實(shí)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)的水三相點(diǎn)值。

2 交流電流比較儀測(cè)溫電橋

2.1 工作原理

交流電流比較儀測(cè)溫電橋是一種比較式儀器，根據(jù)比例臂的構(gòu)成情況，可以將其分為阻抗比電橋和變壓器電橋。用2個(gè)阻抗構(gòu)成的比例臂可稱為阻抗比例器式電橋，簡(jiǎn)稱“阻抗比電橋”；如果將感應(yīng)式電壓比例器作為比例臂，則可將其稱為“變壓器電橋”。由于其匝數(shù)比準(zhǔn)確、穩(wěn)定，所以，高精度的交流測(cè)溫電橋?qū)儆谧儔浩麟姌颉?/p>

雖然交流電流比較儀測(cè)溫電橋的線路與直流單臂電橋的線路結(jié)構(gòu)、形式相同，但是，因?yàn)樗?個(gè)臂是阻抗，所以，它的平衡條件、線路組成和實(shí)現(xiàn)平衡的調(diào)整過程都比直流測(cè)溫電橋復(fù)雜。

交流電流比較儀測(cè)溫電橋可以在25 Hz（工頻為50 Hz時(shí)）或30 Hz（工頻為60 Hz時(shí)）的低頻率下工作。在工作過程中，它主要測(cè)量被測(cè)電阻兩端的電壓值和1個(gè)穩(wěn)定的內(nèi)置參考電阻或外置參考電阻兩端的電壓值，而測(cè)得的電壓值與被測(cè)電阻值有一定的比例關(guān)系。這時(shí)，利用公式（1）可以計(jì)算被測(cè)熱電阻的阻值，即：

. （1）

式（1）中：Rt為被測(cè)電阻；Rs為內(nèi)置參考電阻或外置參考電阻；Vt為被測(cè)電阻兩端的電壓值；Vs為內(nèi)置參考電阻或外置參考電阻兩端的電壓值。

交流電流比較儀測(cè)溫電橋可以消除時(shí)間變化造成的溫度漂移，因?yàn)樗皇茈妷簻y(cè)量增益變化和電源波動(dòng)的影響。另外，它還可以消除其他熱電勢(shì)，比直流測(cè)溫電橋的穩(wěn)定性更高。

2.2 準(zhǔn)確度高的原因

直流測(cè)溫電橋操作簡(jiǎn)單，所需費(fèi)用也比較少。但是，交流電流比較儀測(cè)溫電橋的測(cè)量技術(shù)比較先進(jìn)，所以，常常被用于對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確度要求比較高的場(chǎng)合。交流電流比較儀測(cè)溫電橋利用比率變換器和電源頻率抑制技術(shù)能夠消除熱電動(dòng)勢(shì)對(duì)其的影響，其噪聲抑制性能較好，響應(yīng)速度快，預(yù)熱時(shí)間短。

3 直流電流比較儀測(cè)溫電橋

直流電流比較儀測(cè)溫電橋的測(cè)量誤差取決于若干個(gè)電阻比，其電阻比的穩(wěn)定性和溫度系數(shù)可以達(dá)到10-6數(shù)量級(jí)，而直流測(cè)溫電橋的電阻比和溫度系數(shù)可以達(dá)到10-5數(shù)量級(jí)。但是，如果要想再提高其數(shù)量級(jí)，技術(shù)難度比較高。

DCC電阻橋即為Direct Current Comparator Resistance Bridge的縮寫，中文翻譯成直流電流比較儀測(cè)溫電橋。電流比較儀最開始是交流式的，后來才逐漸發(fā)展為直流式的，而現(xiàn)在對(duì)比精度最好、計(jì)量界用的最廣的比較儀就是直流的。

DCC電阻橋的工作取決于變壓器磁芯的安匝平衡，它與補(bǔ)償法直流電流鉗表或隔離傳感器的工作原理相似。也就是說，電阻值比等于磁芯匝數(shù)之比。由于磁芯匝數(shù)是不變的，因此，Rt和Rs的比例也可以精準(zhǔn)測(cè)定。

DCC電阻橋具有分辨率高、線性度好、指標(biāo)永久的特點(diǎn)，適用于小阻值的測(cè)試、對(duì)比工作中。當(dāng)Rs為1 Ω、10 Ω、100 Ω和1 000 Ω時(shí)，Rt的滿度是Rs的11倍，即允許實(shí)現(xiàn)1∶10的直接對(duì)比，而且還可以實(shí)現(xiàn)不同10進(jìn)之間標(biāo)準(zhǔn)電阻的傳遞。

另外，DCC電阻橋可以測(cè)試任意阻值，而且比率真實(shí)、可靠，不會(huì)改變（變壓器的匝數(shù)不會(huì)因?yàn)闀r(shí)間而變化）。同時(shí)，還可以進(jìn)行1∶10的直接傳遞對(duì)比（現(xiàn)代DCC電阻橋甚至可以直接進(jìn)行1∶100的直接對(duì)比），這就奠定了DCC電阻橋的地位。當(dāng)電阻標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)入量子霍爾電阻（QHR）時(shí)代后，DCC電阻橋的這種特性很快被用于從霍爾電阻到常規(guī)電阻的過渡傳遞中。這些年來，DCC電阻橋也在不斷發(fā)展，例如自動(dòng)化、量程擴(kuò)展、精度提高、大電流應(yīng)用等，它在高精度電阻計(jì)量中較為突出。

4 結(jié)束語

綜上所述，在電學(xué)、溫度等計(jì)量實(shí)驗(yàn)室建標(biāo)或更新電測(cè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備時(shí)，應(yīng)清楚被檢計(jì)量器具的使用范圍及其特性，充分了解各種測(cè)量電橋的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和性能，以獲得最優(yōu)的方案。

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〔編輯：白潔〕