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熱電阻測(cè)溫原理及其引線方式分析

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  • 發(fā)布時(shí)間:2013/12/26 9:18:17
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一、概述

  使用熱電阻來(lái)進(jìn)行溫度的測(cè)量相信大家都不會(huì)陌生,熱電阻也是中低溫區(qū)最常見(jiàn)的一種溫度傳感器,它的主要特點(diǎn)是測(cè)量精度高、性能穩(wěn)定,其中鉑熱電阻的測(cè)量精確度是最高的。鉑熱電阻被廣泛應(yīng)用在工業(yè)測(cè)量領(lǐng)域。

二、測(cè)溫原理

  與熱電偶的測(cè)溫原理不同的是,熱電阻是基于電阻的熱效應(yīng)進(jìn)行溫度測(cè)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(cè)量出感溫?zé)犭娮璧淖柚底兓?,就可以測(cè)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(lì)電流測(cè)量其兩端電壓的方法得到電阻值(電壓/電流),再將電阻值轉(zhuǎn)換成溫度值,從而實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量。
  目前應(yīng)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(wěn)定性好,具有一定的非線性,溫度越高電阻變化率越小;銅電阻在測(cè)溫范圍內(nèi)電阻值和溫度呈線性關(guān)系,溫度線數(shù)大,適用于無(wú)腐蝕介質(zhì),超過(guò)150易被氧化。中國(guó)最常用的有R0=10Ω、R0=100Ω和R0=1000Ω等幾種,它們的分度號(hào)分別為Pt10、Pt100、Pt1000;銅電阻有R0=50Ω和R0=100Ω兩種,它們的分度號(hào)為Cu50和Cu100。其中Pt100和Cu50的應(yīng)用最為廣泛。

三、 引線方式

  熱電阻是把溫度變化轉(zhuǎn)換為電阻值變化的一次元件,通常需要把電阻信號(hào)通過(guò)引線傳遞到計(jì)算機(jī)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(xiàn)場(chǎng),與控制室或者測(cè)量端之間存在一定的距離,因此熱電阻的引線對(duì)測(cè)量結(jié)果會(huì)有較大的影響。目前熱電阻的引線主要有三種方式:二線制、三線制和四線制。
  下面分別來(lái)介紹這三種引線方式的原理以及差異。

3.1. 二線制引線方式

  二線制引線方式是在熱電阻的兩端各鏈接一根導(dǎo)線來(lái)引出電阻信號(hào),測(cè)量原理示意圖如圖1所示:

熱電阻二線制引線方式

圖1.熱電阻二線制引線方式

  從圖中可以看到,變送器通過(guò)導(dǎo)線L1、L2給熱電阻施加激勵(lì)電流I,測(cè)得電勢(shì)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(dǎo)線的電阻RL1、RL2無(wú)法測(cè)得而被計(jì)入到熱電阻的電阻值中,使得測(cè)量結(jié)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(dǎo)線的電阻值為2Ω,則會(huì)引起的測(cè)量誤差為5.3℃。
  這種引線方式的優(yōu)點(diǎn)是接法簡(jiǎn)單,但是由于連接導(dǎo)線必然存在引線電阻,因此這種方式只適用于對(duì)溫度測(cè)量精度要求較低的場(chǎng)合。

3.2. 三線制引線方式

  三線制引線方式是在熱電阻的根部的一端連接一根引線,另一端連接兩根引線。也是實(shí)際應(yīng)用中最常見(jiàn)的接法。具體接線方法如圖2所示:

熱電阻三線制引線方式
圖2.熱電阻三線制引線方式
  三線制的引線方式增加了一根導(dǎo)線用以補(bǔ)償連接導(dǎo)線的電阻引起的測(cè)量誤差,三線制要求三根導(dǎo)線的材質(zhì)、線徑、長(zhǎng)度一致且工作溫度相同,使三根導(dǎo)線的電阻值相同,即RL1=RL2=RL3。通過(guò)導(dǎo)線L1、L2給熱電阻施加激勵(lì)電流信號(hào)I,測(cè)得電勢(shì)V1、V2、V3,導(dǎo)線L3接入高輸入阻抗電路,IL3≈0。是那么熱電阻的阻值Rt計(jì)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(線路電阻)沒(méi)有關(guān)系,從而也就消除了導(dǎo)線線路電阻帶來(lái)的測(cè)量誤差。因此工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)一般都采用三線制的引線方式,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(cè)試子站,它的測(cè)量通道可以從4通道到16通道,供客戶進(jìn)行選擇,與上位機(jī)的通訊接口采用RS485總線方式,非常適用于集散式的參量測(cè)量,布線簡(jiǎn)單,系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng),測(cè)量準(zhǔn)確,深受廣大使用者的歡迎,目前多用于電機(jī)試驗(yàn)領(lǐng)域。

3.3. 四線制引線方式

  四線制的引線方式是在熱電阻的根部?jī)啥烁鬟B接兩根導(dǎo)線,其中兩根引線為熱電阻提供衡定電流I,把R轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)U,具體接線方法如圖3所示:
熱電阻四線制引線方式
圖3.熱電阻四線制引線方式
  四線制可以說(shuō)是熱電阻測(cè)溫理想的接線方式,如上圖所示,變送器通過(guò)導(dǎo)線L1、L2給熱電阻施加激勵(lì)電流I,測(cè)得電勢(shì)V3、V4,導(dǎo)線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(jì)算公式:Rt=(V4-V3)/I,可見(jiàn)這種接線方式對(duì)于引線沒(méi)有等阻值的要求,,且真正意義上完全消除引線電阻對(duì)溫度測(cè)量的影響,主要適用于高精度的溫度檢測(cè)(如建立溫度基準(zhǔn),計(jì)量校準(zhǔn)等)。
  從上面的分析可知,每種引線方式都有每種方式的優(yōu)缺點(diǎn),工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)一般常采用的方式是三線制的引線方式,我們可以根據(jù)不同的場(chǎng)合,來(lái)選擇不同的熱電阻接線方式。



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