鉑熱電阻的接線溫度失真分析

摘要:項(xiàng)目推廣中發(fā)現(xiàn)很多礦井主通風(fēng)機(jī)的監(jiān)測(cè)溫度經(jīng)常出現(xiàn)不同程度的虛高現(xiàn)象，分析其原因是測(cè)溫線路的接線引起了較大的溫度誤差。文章對(duì)測(cè)溫線路進(jìn)行了理論分析，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出導(dǎo)線電阻的大小對(duì)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(cè)溫范圍寬、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)過(guò)程控制和測(cè)量系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。
　　用鉑熱電阻測(cè)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(cè)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型是采用橋式線路。目前一般采用的方法是三線制接法。可以說(shuō)，鉑熱電阻測(cè)溫技術(shù)應(yīng)該是非常成熟的。
　　但是，在項(xiàng)目《通風(fēng)機(jī)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)》的推廣中發(fā)現(xiàn)，90%的礦井通風(fēng)機(jī)的監(jiān)測(cè)溫度是不準(zhǔn)確的，如山西的上榆泉礦、山東的朝陽(yáng)礦、運(yùn)河礦、王莊礦等等，有的高出實(shí)際溫度十幾、二十?dāng)z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(yàn)，發(fā)現(xiàn)了問(wèn)題所在。
1鉑熱電阻測(cè)溫原理
　　先從鉑熱電阻測(cè)溫的原理來(lái)看。若已知電阻溫度關(guān)系，就可以用測(cè)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(dāng)測(cè)溫范圍不大，元件長(zhǎng)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(rèn)為是線性的，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(shù)，即電阻元件的溫度相對(duì)于參考溫度每變化1℃，引起鉑熱電阻阻值相對(duì)于參考溫度下的增量。
　　對(duì)于PT100，在t=0℃時(shí)，Rt=100Ω;當(dāng)t=t1時(shí)，Rt=Rt1,則有
 
　　通過(guò)測(cè)量t1溫度下PT100的阻值，就可以通過(guò)，上式的公式變形計(jì)算出此時(shí)測(cè)量端的溫度。即
 
　　鉑熱電阻測(cè)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(diào)電阻，A為檢流計(jì)。
 
　　電路工作時(shí)，不考慮導(dǎo)線的電阻值,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(jì)的對(duì)角線無(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(cè)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(dá)到幾十米甚至幾百米，這時(shí)候?qū)Ь€的阻值就不能不考慮在內(nèi)了。參照?qǐng)D1,考慮導(dǎo)線電阻，則新的電橋平衡的公式為.
 
　　導(dǎo)線采用三芯屏蔽線，a、b、c三點(diǎn)到o點(diǎn)的長(zhǎng)度相等導(dǎo)線電阻值也相等:[3.4]。即，
 
　　這樣兩根引線的電阻對(duì)稱地分別接人等式兩邊，因而導(dǎo)線電阻Rl的影響在很大程度上被排除掉了。所以正確的接線方式應(yīng)是從鉑熱電阻接出三線，對(duì)應(yīng)地接人巡檢儀或者溫度模塊。
　　但是現(xiàn)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)明書上標(biāo)注的接線圖，為了節(jié)約信號(hào)線，就從鉑熱電阻端兩線出，到巡檢儀再并出一根線，三線接人巡檢儀。雖然也是三線接人巡檢儀(如圖2所示)，但是對(duì)溫度有沒(méi)有影響呢?
　　要使電橋達(dá)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(dǎo)線電阻。可見(jiàn)，采用這種接法時(shí)，溫度誤差與導(dǎo)線的電阻成線性關(guān)系。
2實(shí)驗(yàn)
　　實(shí)驗(yàn)電纜使用RVVP型號(hào)的0.2mm2電纜。PT100用WZP-280L50型，測(cè)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(jì)讀出溫度滯后一定時(shí)間，那么如果用溫度計(jì)作標(biāo)定的話就不合適了。所以采用宏格模塊采集的溫度作為標(biāo)定溫度。通過(guò)做實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在多個(gè)穩(wěn)定溫度下，即使是200m的線長(zhǎng)，按照?qǐng)D1的三線制接法連接的電路測(cè)得的溫度與水銀溫度計(jì)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足工程要求，可以作為標(biāo)定溫度。
　　實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)度的導(dǎo)線接入巡檢儀。標(biāo)準(zhǔn)溫度由宏格模塊采集:取第三個(gè)PT100用相同長(zhǎng)度的導(dǎo)線按照?qǐng)D1所示接法接人泓格I-7000遠(yuǎn)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(zhuǎn)RS232)模塊轉(zhuǎn)換，輸人到計(jì)算機(jī)。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(cè)量值。經(jīng)過(guò)把實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中圖2接法數(shù)值減去標(biāo)定溫度作為絕對(duì)誤差，列出絕對(duì)誤差與線長(zhǎng)在各個(gè)測(cè)點(diǎn)下的數(shù)值，結(jié)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(jì)算出各長(zhǎng)度的導(dǎo)線電阻。當(dāng)導(dǎo)線長(zhǎng)度一定時(shí)，在各個(gè)測(cè)點(diǎn)溫度下，圖2接法測(cè)得的溫度與標(biāo)準(zhǔn)溫度總相差一個(gè)近似的常量，算出平均絕對(duì)誤差。把平均誤差和導(dǎo)線電阻在坐標(biāo)內(nèi)作出曲線，如圖3。
　　通過(guò)圖3曲線，可以看出，用圖2接法測(cè)得的溫度平均誤差與導(dǎo)線電阻呈近似線性關(guān)系，與理論分析的結(jié)果相吻合。
 
3結(jié)語(yǔ)
　　鉑熱電阻的使用雖然簡(jiǎn)單，但切不可想當(dāng)然的在終端把兩線并三線接人巡檢儀或者別的測(cè)量?jī)x表，一定要從PT100傳感器三線接出，并三線接人終端儀表，否則必然存在溫度虛高。有的煤礦風(fēng)機(jī)的溫度電纜已經(jīng)固定，重新布線比較麻煩，也可以根據(jù)導(dǎo)線規(guī)格以及圖3中導(dǎo)線電阻與誤差的關(guān)系，測(cè)量出測(cè)點(diǎn)和二次儀表之間的線長(zhǎng)，算出導(dǎo)線的電阻值，進(jìn)而推算出溫度誤差，在二次儀表上作適當(dāng)調(diào)節(jié)，抵消掉對(duì)應(yīng)的溫度誤差。