鉑熱電阻不同接線(xiàn)方式的測試原理分析及應用

摘要:鉑熱電阻由于其阻值與溫度良好的線(xiàn)性關(guān)系，在溫度測量領(lǐng)域內廣泛應用。文章重點(diǎn)闡述了鉑熱電阻不同接線(xiàn)方式的測量原理，并對各測量方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析對比,為實(shí)際應用提供參考建議。
鉑熱電阻值隨溫度變化而變化，并且具有很好的重現性和穩定性,利用鉑電阻的這種物理特性而制成的傳感器稱(chēng)為鉑熱電阻溫度傳感器，常見(jiàn)的鉑熱電阻溫度傳感器有Pt10、Pt100、Pt500、Pt1000等。鉑熱電阻溫度傳感器精度高,穩定性好，應用溫度范圍廣，是工業(yè)上常用的一種溫度檢測器。鉑熱在電阻測溫時(shí),通常是將鉑熱電阻以二線(xiàn)制、三線(xiàn)制或者四線(xiàn)制的形式接入二次儀表測出其電阻值。不同的接線(xiàn)方式對其精度及應用環(huán)境存在較大的影響。
1鉑熱電阻的測溫原理及特性
       鉑熱電阻的阻值隨溫度成線(xiàn)性變化,一般情況下，其阻值隨溫度的增加而增大,根據《JIG229-2010工業(yè)鉑.銅熱電阻檢定規程》工業(yè)鉑熱電阻值與溫度之間的函數關(guān)系:

       其中，t為鉑熱電阻溫度,℃;R,為t℃時(shí)的鉑熱電阻阻值,Ω;R0為0℃時(shí)的阻值,W1為工業(yè)熱電阻的電阻比值。
2鉑熱電阻的測量原理及方法
       鉑熱電阻是電阻式溫度傳感器，測溫的本質(zhì)是測量傳感器的電阻值。通常是電測設備給鉑熱電阻施加一個(gè)恒定激勵電流，然后,測量其兩端電壓，利用歐姆定律(R=U/D計算電阻值,再將電阻值換算成溫度值，從而實(shí)現溫度的測量。鉑熱電阻與電測設備之間的接線(xiàn)方式有三種,分別是二線(xiàn)制、三線(xiàn)制和四線(xiàn)制。
2.1二線(xiàn)制測量方法
       二線(xiàn)制測量方法,就是用恒流源給鉑熱電阻兩端的導線(xiàn)施加激勵電流[,并測得兩端導線(xiàn)之間的電壓U,通過(guò)公式R=U/1,得到的鉑熱電阻的阻值,如圖1所示。

      圖中,R1為鉑熱電阻;RL1為導線(xiàn)L1的等效電阻;R12為導線(xiàn)L2的等效電阻。
     圖中，電測儀表通過(guò)導線(xiàn)LI、L2給鉑熱電阻施加恒定電流I,測得電勢V1、V2,因此,R,電阻值如下:
Rt=(V1-V2)/I-RL1-R12
      由于二線(xiàn)制接法在測量的時(shí)候，無(wú)法測知鉑熱電阻.兩端導線(xiàn)的阻值RL1-R12是測量結果產(chǎn)生附加誤差。
2.2三線(xiàn)制測量方法
      三線(xiàn)制測量方法，就是在二線(xiàn)制的基礎上,給鉑熱電阻的其中一端增加1根導線(xiàn)，用來(lái)補償導線(xiàn)電阻的帶來(lái)的測量誤差，并將這3根導線(xiàn)接入不平衡電橋。三線(xiàn)制測法要求3根導線(xiàn)的長(cháng)度、線(xiàn)徑和材質(zhì)完全一樣，并且工作溫度相同，從而使3根導線(xiàn)阻值相同,如圖2所示。
      圖2中,3根與鉑熱電阻Rt相連的導線(xiàn)長(cháng)度相等,線(xiàn)徑和材質(zhì)相同,其導線(xiàn)的等效阻值都是RL1=R12=R13=r,其中，Ru與電橋的電源端直接相連,R12和R13分別串接在電橋的兩個(gè)橋臂上，當電橋平衡時(shí),R，有以下關(guān)系式:
R2(Rt,+RL3)=R1(R3+R12)

       當滿(mǎn)足R1=R2時(shí)，則等號右邊包含r的兩項完全抵消，這種情況與r=0的電橋平衡公式完全相同,此時(shí)導線(xiàn)線(xiàn)阻r將不會(huì )引起鉑熱電阻的測量誤差。因此,如果要完全消除導線(xiàn)電阻帶來(lái)的影響,不平衡電橋必須處于平衡狀態(tài)，且電阻R1=R2。
2.3四線(xiàn)制測量方法
       四線(xiàn)制測量方法,是在二線(xiàn)制的基礎上,在鉑熱電阻兩端各增加一根導線(xiàn),給新增加的這兩根導線(xiàn)上提供恒定的激勵電流，用電壓表測量另外兩根導線(xiàn)之間的壓降，由于電壓表的內阻很高,因此,經(jīng)導線(xiàn)流入電壓表的電流幾乎為零,這樣就可以測量鉑熱電阻兩端的壓降，再利用歐姆定律就可以計算出其電阻值,如圖3所示。

       圖3中,通過(guò)導線(xiàn)L1、L2給鉑熱電阻施加恒定電流I,測得導線(xiàn)L3、L4兩端電勢V3、V4。將導線(xiàn)L3、L4接入電壓.表,由于電壓表的高輸入阻抗導致I3=0,Ix=0,因此R,電阻值如下:
Rt=(V4-V3)/I
3鉑熱電阻不同測量方法的優(yōu)缺點(diǎn)及應用
3.1二線(xiàn)制測法
       二線(xiàn)制測法是在鉑熱電阻兩端各連1根導線(xiàn)，直接接入電測設備進(jìn)行測量。這種接線(xiàn)方式雖然簡(jiǎn)單，但是不可避免的引入導線(xiàn)電阻r，r的大小與導線(xiàn)的長(cháng)度、線(xiàn)徑、材質(zhì)，以及工作溫度有關(guān),因此,這種接線(xiàn)方式適用于測試距離很近，且精度要求不高的場(chǎng)合。如果測試結果不對導線(xiàn)電阻進(jìn)行修正的話(huà),那么連接導線(xiàn)不宜過(guò)長(cháng)。
3.2三線(xiàn)制測法
       三線(xiàn)制測法是在鉑熱電阻的一端引出兩根導線(xiàn)，另一端引出1根導線(xiàn)接入測量回路,此種方式要求引出的3根導線(xiàn)長(cháng)度、線(xiàn)徑和材質(zhì)均相同。測量回路一般采用不平衡電橋，當電橋平衡,且有兩個(gè)橋臂電阻R1=R2時(shí),能夠完全消除導線(xiàn)電阻引入的測量誤差。但由于鉑熱電阻是不平衡電橋的一個(gè)橋臂電阻,與其連接導線(xiàn)(從鉑熱.電阻測溫現場(chǎng)至測量控制室)電阻也附加為橋臂電阻的一部分，這一部分電阻隨環(huán)境溫度變化，因而會(huì )造成一定的測量誤差。當采用鉑熱電阻與不平衡電橋配合測量溫度時(shí)，雖然不能徹底消除導線(xiàn)電阻引入的誤差,但是已大大減小了測量誤差。在工業(yè)環(huán)境中,測溫點(diǎn)一般都在現場(chǎng)，而控制及顯示設備一般都在控制室，兩者之間距離可能數十至數百米,三線(xiàn)制測法正好適用于這種測試距離較遠，精度要求較高的場(chǎng)合，因而被廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)中。
3.3四線(xiàn)制測法
       四線(xiàn)制測法是在鉑熱電阻的兩端各用兩根導線(xiàn)接入測量回路，在其兩端各選取1根導線(xiàn)通以恒定電流,把電阻值轉換成電壓信號,再將另外兩根導線(xiàn)接入電測儀表。這種接線(xiàn)方式可以完全消除導線(xiàn)電阻帶來(lái)的誤差。.因此,四線(xiàn)制測量適用于計量單位、實(shí)驗室等精度高的溫度測量場(chǎng)所。由于這種測法需要的導線(xiàn)數量最多，尤其在長(cháng)距離測溫環(huán)境中經(jīng)濟性比較差,成本也相對較高。
4結語(yǔ)
       鉑熱電阻是一種應用非常廣泛的溫度測量傳感器，在-50℃~600℃的范圍內具有其它任何溫度傳感器無(wú)法比擬的優(yōu)勢，它具有良好的穩定性,精度高、抗干擾能力強等優(yōu)點(diǎn)。一般來(lái)說(shuō)，短距離選用二線(xiàn)制接法,中遠距離選用三線(xiàn)制接法，要求精度高選用四線(xiàn)制接法。如果精度要求一般，采用三線(xiàn)制接法是經(jīng)濟、穩定、實(shí)用的選擇。三種接線(xiàn)方式都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，具體選用哪種方.式,應該根據實(shí)際環(huán)境和需求情況決定。