浅析测温电桥的选型和应用

周春明+周健+马宁

摘 要：标准铂电阻温度计是国际温标ITS—1990中规定的中低温区段的内插仪器之一，它是标准温度计量器具，而测温电桥是测量标准铂电阻温度计的常用电测设备之一。简要介绍了常用测温电桥的工作原理和使用要求，以期为相关实验室技术人员的工作提供参考。

关键词：标准铂电阻温度计；测温电桥；电桥法；电阻桥

中图分类号：TH811 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.05.089

与用伏安法测量电阻值的情况相比，电桥法具有明显的优势。电桥法将对电参数（电压、电流和电阻）的测量转换为对参数的平衡检测，而平衡检测对电阻值的变化很敏感，电桥电源电压值的变化不会直接影响测量结果，所以，其测量结果的准确度比较高。在测量标准铂电阻温度计等对准确度要求非常高的阻值时，主要是用测温电桥测量。目前，使用频率较高的仪器是直流测温电桥、交流电流比较仪测温电桥和直流电流比较仪测温电桥。

1 直流测温电桥

1.1 工作原理

直流测温电桥分为单电桥（惠斯通电桥）和双电桥（开尔文电桥）2种。 单电桥用于测量1×102～1×106 Ω范围内、阻值较高的电阻，而双电桥则可以消除被测电阻引线对其的影响，用于测量100 Ω以下、阻值较低的电阻。

直流测温电桥又被称为史密斯电桥，其工作原理如图1所示。

S—比较臂，固定电阻；R—比较臂，固定电阻；b—比较臂，固定电阻；Q—比较臂，固定电阻；a—可调电阻，与Q臂联动（a=aQ+a=Q+a）；p —铂电阻温度计（SPRT）；L1、L2、L3、L4—铂电阻温度计的4条引线

图1 电桥工作原理图

1.2 使用时的注意事项

使用直流测温电桥时，要注意以下3点：①温度的变化会导致各桥臂的电阻值发生变化，而且无法修正。因此，要在规定的温度、湿度环境中使用该仪器，使基本误差符合相关规定。②为了减小引线电阻造成的误差，连接导线应尽可能短而粗。在此过程中，要将各接线端子拧紧，避免接触电阻不稳定而造成电桥的不稳定。③为了减小电测系统误差值及其对标准铂电阻温度计稳定性的影响，在实际测温前，要在冻制好的水三相点瓶中实测标准铂电阻温度计的水三相点值。

2 交流电流比较仪测温电桥

2.1 工作原理

交流电流比较仪测温电桥是一种比较式仪器，根据比例臂的构成情况，可以将其分为阻抗比电桥和变压器电桥。用2个阻抗构成的比例臂可称为阻抗比例器式电桥，简称“阻抗比电桥”；如果将感应式电压比例器作为比例臂，则可将其称为“变压器电桥”。由于其匝数比准确、稳定，所以，高精度的交流测温电桥属于变压器电桥。

虽然交流电流比较仪测温电桥的线路与直流单臂电桥的线路结构、形式相同，但是，因为它的4个臂是阻抗，所以，它的平衡条件、线路组成和实现平衡的调整过程都比直流测温电桥复杂。

交流电流比较仪测温电桥可以在25 Hz（工频为50 Hz时）或30 Hz（工频为60 Hz时）的低频率下工作。在工作过程中，它主要测量被测电阻两端的电压值和1个稳定的内置参考电阻或外置参考电阻两端的电压值，而测得的电压值与被测电阻值有一定的比例关系。这时，利用公式（1）可以计算被测热电阻的阻值，即：

. （1）

式（1）中：Rt为被测电阻；Rs为内置参考电阻或外置参考电阻；Vt为被测电阻两端的电压值；Vs为内置参考电阻或外置参考电阻两端的电压值。

交流电流比较仪测温电桥可以消除时间变化造成的温度漂移，因为它不受电压测量增益变化和电源波动的影响。另外，它还可以消除其他热电势，比直流测温电桥的稳定性更高。

2.2 准确度高的原因

直流测温电桥操作简单，所需费用也比较少。但是，交流电流比较仪测温电桥的测量技术比较先进，所以，常常被用于对测量准确度要求比较高的场合。交流电流比较仪测温电桥利用比率变换器和电源频率抑制技术能够消除热电动势对其的影响，其噪声抑制性能较好，响应速度快，预热时间短。

3 直流电流比较仪测温电桥

直流电流比较仪测温电桥的测量误差取决于若干个电阻比，其电阻比的稳定性和温度系数可以达到10-6数量级，而直流测温电桥的电阻比和温度系数可以达到10-5数量级。但是，如果要想再提高其数量级，技术难度比较高。

DCC电阻桥即为Direct Current Comparator Resistance Bridge的缩写，中文翻译成直流电流比较仪测温电桥。电流比较仪最开始是交流式的，后来才逐渐发展为直流式的，而现在对比精度最好、计量界用的最广的比较仪就是直流的。

DCC电阻桥的工作取决于变压器磁芯的安匝平衡，它与补偿法直流电流钳表或隔离传感器的工作原理相似。也就是说，电阻值比等于磁芯匝数之比。由于磁芯匝数是不变的，因此，Rt和Rs的比例也可以精准测定。

DCC电阻桥具有分辨率高、线性度好、指标永久的特点，适用于小阻值的测试、对比工作中。当Rs为1 Ω、10 Ω、100 Ω和1 000 Ω时，Rt的满度是Rs的11倍，即允许实现1∶10的直接对比，而且还可以实现不同10进之间标准电阻的传递。

另外，DCC电阻桥可以测试任意阻值，而且比率真实、可靠，不会改变（变压器的匝数不会因为时间而变化）。同时，还可以进行1∶10的直接传递对比（现代DCC电阻桥甚至可以直接进行1∶100的直接对比），这就奠定了DCC电阻桥的地位。当电阻标准进入量子霍尔电阻（QHR）时代后，DCC电阻桥的这种特性很快被用于从霍尔电阻到常规电阻的过渡传递中。这些年来，DCC电阻桥也在不断发展，例如自动化、量程扩展、精度提高、大电流应用等，它在高精度电阻计量中较为突出。

4 结束语

综上所述，在电学、温度等计量实验室建标或更新电测标准设备时，应清楚被检计量器具的使用范围及其特性，充分了解各种测量电桥的技术优势和性能，以获得最优的方案。

参考文献

[1]廖理.热学计量[M].北京：原子能出版社，2002.

[2]高庆中.温度计量[M].北京：中国计量出版社，2004.

[3]王勇.电阻式和直流比较仪式电位差计原理与检定[M].北京：中国计量出版社，2006.

[4]张克.温度测控技术与应用[M].北京：中国质检出版社，2011.

〔编辑：白洁〕