鉑熱電阻不同接線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性關系，在溫度測量領域內廣泛應用。文章重點闡述了鉑熱電阻不同接線方式的測量原理，并對各測量方法的優缺點進行分析對比,為實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為鉑熱電阻溫度傳感器，常見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，是工業上常用的一種溫度檢測器。鉑熱在電阻測溫時,通常是將鉑熱電阻以二線制、三線制或者四線制的形式接入二次儀表測出其電阻值。不同的接線方式對其精度及應用環境存在較大的影響。
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工業鉑.銅熱電阻檢定規程》工業鉑熱電阻值與溫度之間的函數關系:

       其中，t為鉑熱電阻溫度,℃;R,為t℃時的鉑熱電阻阻值,Ω;R0為0℃時的阻值,W1為工業熱電阻的電阻比值。
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，從而實現溫度的測量。鉑熱電阻與電測設備之間的接線方式有三種,分別是二線制、三線制和四線制。
2.1二線制測量方法
       二線制測量方法,就是用恒流源給鉑熱電阻兩端的導線施加激勵電流[,并測得兩端導線之間的電壓U,通過公式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L1的等效電阻;R12為導線L2的等效電阻。
     圖中，電測儀表通過導線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
      由于二線制接法在測量的時候，無法測知鉑熱電阻.兩端導線的阻值RL1-R12是測量結果產生附加誤差。
2.2三線制測量方法
      三線制測量方法，就是在二線制的基礎上,給鉑熱電阻的其中一端增加1根導線，用來補償導線電阻的帶來的測量誤差，并將這3根導線接入不平衡電橋。三線制測法要求3根導線的長度、線徑和材質完全一樣，并且工作溫度相同，從而使3根導線阻值相同,如圖2所示。
      圖2中,3根與鉑熱電阻Rt相連的導線長度相等,線徑和材質相同,其導線的等效阻值都是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橋臂上，當電橋平衡時,R，有以下關系式:
R2(Rt,+RL3)=R1(R3+R12)

       當滿足R1=R2時，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,此時導線線阻r將不會引起鉑熱電阻的測量誤差。因此,如果要完全消除導線電阻帶來的影響,不平衡電橋必須處于平衡狀態，且電阻R1=R2。
2.3四線制測量方法
       四線制測量方法,是在二線制的基礎上,在鉑熱電阻兩端各增加一根導線,給新增加的這兩根導線上提供恒定的激勵電流，用電壓表測量另外兩根導線之間的壓降，由于電壓表的內阻很高,因此,經導線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,通過導線L1、L2給鉑熱電阻施加恒定電流I,測得導線L3、L4兩端電勢V3、V4。將導線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缺點及應用
3.1二線制測法
       二線制測法是在鉑熱電阻兩端各連1根導線，直接接入電測設備進行測量。這種接線方式雖然簡單，但是不可避免的引入導線電阻r，r的大小與導線的長度、線徑、材質，以及工作溫度有關,因此,這種接線方式適用于測試距離很近，且精度要求不高的場合。如果測試結果不對導線電阻進行修正的話,那么連接導線不宜過長。
3.2三線制測法
       三線制測法是在鉑熱電阻的一端引出兩根導線，另一端引出1根導線接入測量回路,此種方式要求引出的3根導線長度、線徑和材質均相同。測量回路一般采用不平衡電橋，當電橋平衡,且有兩個橋臂電阻R1=R2時,能夠完全消除導線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橋臂電阻,與其連接導線(從鉑熱.電阻測溫現場至測量控制室)電阻也附加為橋臂電阻的一部分，這一部分電阻隨環境溫度變化，因而會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，雖然不能徹底消除導線電阻引入的誤差,但是已大大減小了測量誤差。在工業環境中,測溫點一般都在現場，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,三線制測法正好適用于這種測試距離較遠，精度要求較高的場合，因而被廣泛應用于工業生產中。
3.3四線制測法
       四線制測法是在鉑熱電阻的兩端各用兩根導線接入測量回路，在其兩端各選取1根導線通以恒定電流,把電阻值轉換成電壓信號,再將另外兩根導線接入電測儀表。這種接線方式可以完全消除導線電阻帶來的誤差。.因此,四線制測量適用于計量單位、實驗室等精度高的溫度測量場所。由于這種測法需要的導線數量最多，尤其在長距離測溫環境中經濟性比較差,成本也相對較高。
4結語
       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法比擬的優勢，它具有良好的穩定性,精度高、抗干擾能力強等優點。一般來說，短距離選用二線制接法,中遠距離選用三線制接法，要求精度高選用四線制接法。如果精度要求一般，采用三線制接法是經濟、穩定、實用的選擇。三種接線方式都有各自的優缺點，具體選用哪種方.式,應該根據實際環境和需求情況決定。