鉑熱電阻的接線(xiàn)溫度失真分析

摘要:項目推廣中發(fā)現很多礦井主通風(fēng)機的監測溫度經(jīng)常出現不同程度的虛高現象，分析其原因是測溫線(xiàn)路的接線(xiàn)引起了較大的溫度誤差。文章對測溫線(xiàn)路進(jìn)行了理論分析，并通過(guò)實(shí)驗得出導線(xiàn)電阻的大小對溫度影響的關(guān)系。
0引言
　　PT100(鉑熱電阻)溫度傳感器具有精度高、測溫范圍寬、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)過(guò)程控制和測量系統中得到了廣泛的應用。
　　用鉑熱電阻測溫時(shí)，將鉑熱電阻接人二次儀表，例如巡檢儀溫度模塊等，通過(guò)二次儀表測量出鉑熱電阻的阻值,從而算出溫度。這些二次儀器常用的基本類(lèi)型是采用橋式線(xiàn)路。目前一般采用的方法是三線(xiàn)制接法?？梢哉f(shuō)，鉑熱電阻測溫技術(shù)應該是非常成熟的。
　　但是，在項目《通風(fēng)機在線(xiàn)監測系統》的推廣中發(fā)現，90%的礦井通風(fēng)機的監測溫度是不準確的，如山西的上榆泉礦、山東的朝陽(yáng)礦、運河礦、王莊礦等等，有的高出實(shí)際溫度十幾、二十攝氏度甚至更多。什么樣的原因造成這么大的誤差?經(jīng)過(guò)分析實(shí)驗，發(fā)現了問(wèn)題所在。
1鉑熱電阻測溫原理
　　先從鉑熱電阻測溫的原理來(lái)看。若已知電阻溫度關(guān)系，就可以用測量電阻的方法來(lái)推算出溫度，這就是電阻溫度傳感器的工作原理。
　　當測溫范圍不大，元件長(cháng)度和截面積隨溫度改變引起.的阻值變化可以忽略時(shí)，熱電阻元件的阻值隨溫度變化可以認為是線(xiàn)性的，可用式(1)表示：
 
　　其中，t0表示參考溫度;Rt0表示參考溫度下鉑熱電阻.的阻值;α表示電阻元件的平均電阻溫度系數，即電阻元件的溫度相對于參考溫度每變化1℃，引起鉑熱電阻阻值相對于參考溫度下的增量。
　　對于PT100，在t=0℃時(shí)，Rt=100Ω;當t=t1時(shí)，Rt=Rt1,則有
 
　　通過(guò)測量t1溫度下PT100的阻值，就可以通過(guò)，上式的公式變形計算出此時(shí)測量端的溫度。即
 
　　鉑熱電阻測溫電路的原理如圖1所示，其中，Rt為鉑熱電阻，R1、R2為固定電阻，R3為可調電阻，A為檢流計。
 
　　電路工作時(shí)，不考慮導線(xiàn)的電阻值,R1、R2、R3、R,組成一個(gè)平衡電橋,改變R3電阻的阻值，直到電橋處于平衡狀態(tài)，在此情況下，檢流計的對角線(xiàn)無(wú)電流通過(guò)，電橋處于平衡位置。則有
 
　　使得R3的阻值等于鉑熱電阻的阻值。
　　這樣，就通過(guò)電橋的方法測量出t1溫度下鉑熱電阻的阻值，可以進(jìn)一步算出此時(shí)的溫度
 
　　實(shí)際工程中，往往鉑熱電阻到接人端距離很大，會(huì )達到幾十米甚至幾百米，這時(shí)候導線(xiàn)的阻值就不能不考慮在內了。參照圖1,考慮導線(xiàn)電阻，則新的電橋平衡的公式為.
 
　　導線(xiàn)采用三芯屏蔽線(xiàn)，a、b、c三點(diǎn)到o點(diǎn)的長(cháng)度相等導線(xiàn)電阻值也相等:[3.4]。即，
 
　　這樣兩根引線(xiàn)的電阻對稱(chēng)地分別接人等式兩邊，因而導線(xiàn)電阻Rl的影響在很大程度上被排除掉了。所以正確的接線(xiàn)方式應是從鉑熱電阻接出三線(xiàn)，對應地接人巡檢儀或者溫度模塊。
　　但是現場(chǎng)安裝將鉑熱電阻接人巡檢儀或者模塊的時(shí)候，很多電工看到說(shuō)明書(shū)上標注的接線(xiàn)圖，為了節約信號線(xiàn)，就從鉑熱電阻端兩線(xiàn)出，到巡檢儀再并出一根線(xiàn)，三線(xiàn)接人巡檢儀。雖然也是三線(xiàn)接人巡檢儀(如圖2所示)，但是對溫度有沒(méi)有影響呢?
　　要使電橋達到平衡，則b、d兩點(diǎn)的電位相同，可以得到電橋平衡式:
 
　　RL為導線(xiàn)電阻?？梢?jiàn)，采用這種接法時(shí)，溫度誤差與導線(xiàn)的電阻成線(xiàn)性關(guān)系。
2實(shí)驗
　　實(shí)驗電纜使用RVVP型號的0.2mm2電纜。PT100用WZP-280L50型，測溫范圍為-200~420℃的鉑熱電阻。
　　由于PT100采集溫度有一個(gè)延時(shí)過(guò)程，使巡檢儀顯示溫度較溫度計讀出溫度滯后一定時(shí)間，那么如果用溫度計作標定的話(huà)就不合適了。所以采用宏格模塊采集的溫度作為標定溫度。通過(guò)做實(shí)驗，發(fā)現在多個(gè)穩定溫度下，即使是200m的線(xiàn)長(cháng)，按照圖1的三線(xiàn)制接法連接的電路測得的溫度與水銀溫度計的誤差只有0.01~0.3℃左右，故以圖1所示的接法用宏格模塊采集到的溫度精度滿(mǎn)足工程要求，可以作為標定溫度。
　　實(shí)驗裝置如下:把兩個(gè)PT100分別用圖1和圖2所示的兩種方法用同樣長(cháng)度的導線(xiàn)接入巡檢儀。標準溫度由宏格模塊采集:取第三個(gè)PT100用相同長(cháng)度的導線(xiàn)按照圖1所示接法接人泓格I-7000遠程I/O模塊系列的I-7033(3通道RTD輸入)模塊，然后經(jīng)過(guò)I-7520(RS485轉RS232)模塊轉換，輸人到計算機。三個(gè)PT100的探頭放在同一盛水的容器中，逐漸加溫，取不同溫度下的測量值。經(jīng)過(guò)把實(shí)驗數據中圖2接法數值減去標定溫度作為絕對誤差，列出絕對誤差與線(xiàn)長(cháng)在各個(gè)測點(diǎn)下的數值，結果見(jiàn)表1。
 
　　銅在室溫時(shí)電阻率ρ=1.75x10^-8Ω·m,利用公式R計算出各長(cháng)度的導線(xiàn)電阻。當導線(xiàn)長(cháng)度一定時(shí)，在各個(gè)測點(diǎn)溫度下，圖2接法測得的溫度與標準溫度總相差一個(gè)近似的常量，算出平均絕對誤差。把平均誤差和導線(xiàn)電阻在坐標內作出曲線(xiàn)，如圖3。
　　通過(guò)圖3曲線(xiàn)，可以看出，用圖2接法測得的溫度平均誤差與導線(xiàn)電阻呈近似線(xiàn)性關(guān)系，與理論分析的結果相吻合。
 
3結語(yǔ)
　　鉑熱電阻的使用雖然簡(jiǎn)單，但切不可想當然的在終端把兩線(xiàn)并三線(xiàn)接人巡檢儀或者別的測量?jì)x表，一定要從PT100傳感器三線(xiàn)接出，并三線(xiàn)接人終端儀表，否則必然存在溫度虛高。有的煤礦風(fēng)機的溫度電纜已經(jīng)固定，重新布線(xiàn)比較麻煩，也可以根據導線(xiàn)規格以及圖3中導線(xiàn)電阻與誤差的關(guān)系，測量出測點(diǎn)和二次儀表之間的線(xiàn)長(cháng)，算出導線(xiàn)的電阻值，進(jìn)而推算出溫度誤差，在二次儀表上作適當調節，抵消掉對應的溫度誤差。