熱電阻測溫原理及其引線(xiàn)方式分析
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- 發(fā)布時(shí)間:2013/12/26 9:18:17
- 作者:量值溯源
一、概述
使用
熱電阻來(lái)進(jìn)行溫度的測量相信大家都不會(huì )陌生,熱電阻也是中低溫區最常見(jiàn)的一種溫度傳感器,它的主要特點(diǎn)是測量精度高、性能穩定,其中鉑熱電阻的測量精確度是最高的。鉑熱電阻被廣泛應用在工業(yè)測量領(lǐng)域。
二、測溫原理
與熱電偶的測溫原理不同的是,熱電阻是基于電阻的熱效應進(jìn)行溫度測量的,即電阻體的阻值隨溫度的變化而變化的特性。因此,只要測量出感溫熱電阻的阻值變化,就可以測量出溫度。
一般的處理方式是溫度變送器通過(guò)給熱電阻施加一已知激勵電流測量其兩端電壓的方法得到電阻值(電壓/電流),再將電阻值轉換成溫度值,從而實(shí)現溫度測量。
目前應用最廣泛的熱電阻材料是鉑和銅:鉑電阻精度高,適用于中性和氧化性介質(zhì),穩定性好,具有一定的非線(xiàn)性,溫度越高電阻變化率越小;銅電阻在測溫范圍內電阻值和溫度呈線(xiàn)性關(guān)系,溫度線(xiàn)數大,適用于無(wú)腐蝕介質(zhì),超過(guò)150易被氧化。中國最常用的有R0=10Ω、R0=100Ω和R0=1000Ω等幾種,它們的分度號分別為Pt10、Pt100、Pt1000;銅電阻有R0=50Ω和R0=100Ω兩種,它們的分度號為Cu50和Cu100。其中Pt100和Cu50的應用最為廣泛。
三、 引線(xiàn)方式
熱電阻是把溫度變化轉換為電阻值變化的一次元件,通常需要把電阻信號通過(guò)引線(xiàn)傳遞到計算機控制裝置或者其它一次儀表上。工業(yè)用熱電阻一般安裝在現場(chǎng),與控制室或者測量端之間存在一定的距離,因此熱電阻的引線(xiàn)對測量結果會(huì )有較大的影響。目前熱電阻的引線(xiàn)主要有三種方式:二線(xiàn)制、三線(xiàn)制和四線(xiàn)制。
下面分別來(lái)介紹這三種引線(xiàn)方式的原理以及差異。
3.1. 二線(xiàn)制引線(xiàn)方式
二線(xiàn)制引線(xiàn)方式是在熱電阻的兩端各鏈接一根導線(xiàn)來(lái)引出電阻信號,測量原理示意圖如圖1所示:

圖1.熱電阻二線(xiàn)制引線(xiàn)方式
從圖中可以看到,變送器通過(guò)導線(xiàn)L1、L2給熱電阻施加激勵電流I,測得電勢V1、V2,那么由歐姆定律得到:(V1-V2)/I=Rt+RL1+RL2,Rt=(V1-V2)/I-(RL1+RL2)。從公式中我們可以看到,由于連接導線(xiàn)的電阻RL1、RL2無(wú)法測得而被計入到熱電阻的電阻值中,使得測量結果產(chǎn)生附加誤差,如在100℃時(shí)Pt100熱電阻的熱電阻率為0.379Ω/℃,這時(shí)若導線(xiàn)的電阻值為2Ω,則會(huì )引起的測量誤差為5.3℃。
這種引線(xiàn)方式的優(yōu)點(diǎn)是接法簡(jiǎn)單,但是由于連接導線(xiàn)必然存在引線(xiàn)電阻,因此這種方式只適用于對溫度測量精度要求較低的場(chǎng)合。
3.2. 三線(xiàn)制引線(xiàn)方式
三線(xiàn)制引線(xiàn)方式是在熱電阻的根部的一端連接一根引線(xiàn),另一端連接兩根引線(xiàn)。也是實(shí)際應用中最常見(jiàn)的接法。具體接線(xiàn)方法如圖2所示:
圖2.熱電阻三線(xiàn)制引線(xiàn)方式
三線(xiàn)制的引線(xiàn)方式增加了一根導線(xiàn)用以補償連接導線(xiàn)的電阻引起的測量誤差,
三線(xiàn)制要求三根導線(xiàn)的材質(zhì)、線(xiàn)徑、長(cháng)度一致且工作溫度相同,使三根導線(xiàn)的電阻值相同,即RL1=RL2=RL3。通過(guò)導線(xiàn)L1、L2給熱電阻施加激勵電流信號I,測得電勢V1、V2、V3,導線(xiàn)L3接入高輸入阻抗電路,IL3≈0。是那么熱電阻的阻值Rt計算如下:(V1-V2)/I=Rt+RL1+RL2,(V3-V2)/I=RL2,RL1=RL2=RL3,則Rt=(V1-V2)/I-2RL2=(V1+V2-2V3)/I。從公式可以看出,熱電阻值最后與RL(線(xiàn)路電阻)沒(méi)有關(guān)系,從而也就消除了導線(xiàn)線(xiàn)路電阻帶來(lái)的測量誤差。因此工業(yè)現場(chǎng)一般都采用三線(xiàn)制的引線(xiàn)方式,具體典型代表產(chǎn)品
有湖南銀河電氣有限公司研制的
DM4032系列溫度測試子站,它的測量通道可以從4通道到16通道,供客戶(hù)進(jìn)行選擇,與上位機的通訊接口采用RS485總線(xiàn)方式,非常適用于集散式的參量測量,布線(xiàn)簡(jiǎn)單,系統抗干擾能力強,測量準確,深受廣大使用者的歡迎,目前多用于電機試驗領(lǐng)域。
3.3. 四線(xiàn)制引線(xiàn)方式
四線(xiàn)制的引線(xiàn)方式是在熱電阻的根部?jì)啥烁鬟B接兩根導線(xiàn),其中兩根引線(xiàn)為熱電阻提供衡定電流I,把R轉換成電壓信號U,具體接線(xiàn)方法如圖3所示:
圖3.熱電阻四線(xiàn)制引線(xiàn)方式
四線(xiàn)制可以說(shuō)是熱電阻測溫理想的接線(xiàn)方式,如上圖所示,變送器通過(guò)導線(xiàn)L1、L2給熱電阻施加激勵電流I,測得電勢V3、V4,導線(xiàn)L3、L4接入高輸入阻抗電路,IL3=0,IL4=0,因此V4-V3等于熱電阻兩端電壓。
熱電阻Rt的計算公式:Rt=(V4-V3)/I,可見(jiàn)這種接線(xiàn)方式對于引線(xiàn)沒(méi)有等阻值的要求,,且真正意義上完全消除引線(xiàn)電阻對溫度測量的影響,主要適用于高精度的溫度檢測(如建立溫度基準,計量校準等)。
從上面的分析可知,每種引線(xiàn)方式都有每種方式的優(yōu)缺點(diǎn),工業(yè)現場(chǎng)一般常采用的方式是三線(xiàn)制的引線(xiàn)方式,我們可以根據不同的場(chǎng)合,來(lái)選擇不同的熱電阻接線(xiàn)方式。