Pt100鉑電阻接線方式對測量結果的影響

[摘要]Pt100鉑電阻不同的接線方式對測量結果產生的影響也不盡相同,如何科學合理的選取一種既能保證測量結果的準確性,又能為用戶節省材料成本的最為合適的接線方式，對測溫系統設計者及用戶來說都極為重要。
　　隨著現代電子技術的發展，對溫度測控技術的測控精度、傳感.器穩定性等提出了更高的要求;Pt100鉑電阻精度高，穩定性好，應用溫度范圍廣，是中低溫區最常用的一種溫度檢測傳感器:其測溫原理決定了不同的接線方式將會對測量結果產生不同的影響，針對不同的測量需求，接線方式的選取就顯得尤為重要。
1Pt100鉑電阻測溫原理
　　Pt100鉑電阻是利用其電阻值隨溫度變化而變化這一原理制成的將溫度量轉換成電阻量的溫度傳感器，溫度變送器通過給Pt100鉑電阻施加--己知激勵電流I測量其兩端電壓U的方法得到電阻值，再將電阻值轉換成對應的溫度值顯示出來。Pt100鉑電阻的阻值R與溫度t之間線性度非常好，在-200C~650℃范圍內線性度近似于一條直線，其關系式如下:
-200℃<t<0℃時，R=R0[1+At+Bt²+C(t-100)t²](式1)
0℃≤t<650℃時，Rt=R0(1+At+Bt²)(式2)
　　式1與式2中，Rt為Pt100鉑電阻在t℃時的電阻值，R0為Pt100鉑電阻在0℃時的電阻值。
　　依據IEC751-1983國際標準，統一設計型Pt100鉑電阻的溫度系數TCR=(R100-R0)/(R0x100)=0.003851，R0為Pt100鉑電阻在0℃時的標準電阻值(R0=100Ω)，R100為Pt100鉑電阻在100℃時的標準電阻值(R100=138.51Ω);TCR=0.003851時A=3.9083X10^-3C^-1、B=-5.775X10^-7C^-2、C=-4.183X10^-12℃^-4;將A、B、C系數值帶入式1與式2求點可知:Pt100鉑電阻隨溫度t的電阻變化率近似--條斜率為0.3851的直線，故t℃時Pt100鉑電阻的電阻值可簡化為Rt=0.385lt+100=U/I.
2Pt100鉑電阻接線方式對測量結果的影響
　　Pt100鉑電阻和溫度變送器要實現對接必然需要引出線，特別是工業用Pt100鉑電阻安裝在生產現場，與溫度變送器之間存在一定的距離，因此Pt100鉑電阻的引線電阻對測量結果必然會產生較大的影響，且不同的接線方式對測量結果勢必產生不盡相同的影響。
2.1兩線制
　　在Pt100鉑電阻兩端各連接一根引線L1.L2來引出電阻信號的方式叫二線制，這種引線方式很簡單，但由于連接引線必然存在引線電阻，測量結果無可避免的要受引線電阻影響。如圖1所示，通過引線L.1.L2給傳感器施加激勵電流I,測得電勢V1.V2，由
 
　　由于連接引線的電阻RL1、RL2無法測得而被計入到電阻阻值中,使測量結果產生附加誤差;假設t=100C,這時若引線的電阻值為3Ω，則引起的測量誤差將達到7.79℃，可見兩線制接線由引線電阻引起的測量誤差是不可忽視的。
2.2三線制
　　Pt100鉑電阻根部的一端連接一根引線，另一端連接兩根引線的方式稱為三線制，這種方式通常與電橋配套使用，可以較好的消除引線電阻的影響，是實際應用中最常見的接線方式。如圖2所示，增加的一根引線用以補償引線電阻引起的測量誤差,三線制要求E根引線電阻值相同，即RL1=RL2=RL3,導線L3需接入高輸入阻抗電路，即1L3=0，通過導線L1、L2給電阻施加激勵電流I,測得電勢.
 
　　因此，三線制接法可以補償因引線電阻引起的測量誤差，且三線制接線常與電橋配套使，將Pt100鉑電阻作為電橋的一個橋臂電阻，將引線一根接到電橋的電源端，其余兩根分別接到Pt100鉑電阻所在的橋臂及與其相鄰的橋臂上，當橋路平衡時，引線電阻的變化對測量結果沒有任何影響，這樣就消除了引線電阻帶來的測量誤差,但是必須為全等臂電橋，否則不可能完全消除引線電阻的影響。采用現代工藝制作的三線制Pt100鉑電阻補償電纜三根引線的電阻值已能做到幾乎完全相同，故采用三線制接線能大大減小引線電阻帶來的附加誤差.
2.3四線制
　　在Pt100鉑電阻的根部兩端各連接兩根引線的方式稱為四線制，其中兩根引線為鉑電阻提供恒定電流I,把R轉換成電壓信號V,再通過另兩根引線把V引至二次儀表,可見這種引線方式可以完全消除引線電阻的影響。如圖3所示，通過引線L1.L2給電阻施加激勵電流1,測得電勢L3、L4。引線L3、L4接入高輸入阻抗電路，即
 
　　在電壓表輸入阻抗足夠高的條件下，電流幾乎不流過電壓表，這樣就可以精確測量未知電阻上的壓降，通過計算得出電阻值，故四線制測量方式可以完全不受連接引線電阻的影響，是Pt100鉑電阻測溫最理想的接線方式，主要用于精度高的溫度檢測。
3結束語
　　隨著現代科學技術的發展，Pt100鉑電阻在工業生產中得到了廣泛的應用。從測溫系統設計者角度來看，這就要求需要依據用戶需求，科學合理的為用戶選取一種既能保證測溫結果準確性,又能為用戶節省成本的最符合應用現場要求的接線方式，但總體應遵循以下基本原則:
(1)兩線制由于受引線電阻影響極大,盡量避免采用或少采用(在對溫度測量精度要求低，且引線極短或沒有引線的單一測點中可采用);
(2)三線制是現代工業生產中較為廣泛應用的一種接線方式，由于補償引線的引入，大大降低了引線電阻的影響，對于一般工業生產中用于對溫度監視的系統可采用此種接線方式;特別是測點數量龐大的計算機監視系統(其工作原理十分簡單，只需要將溫度信號通過信號線傳輸到溫度采集模塊,采集模塊會自動識別溫度信號,再由通訊模塊將采集到的信號傳輸給計算機系統),采用三相制接線將極大的提高計算機監控系統的測量精度及可靠性;
(3)在輸入阻抗足夠高的條件下，四線制測量方式可以完全不受連接引線電阻的影響;但對于測點數量龐大，相對而言對精度要求又不是特別高的工業溫度監視系統而言，一只傳感器增加一根引線，由于基數龐大，且引線相對較長，勢必增加系統建設成本，因此四線制并不可取:對于溫度測量精度要求較高的測量控制系統、或者實驗室計量基準采用四線制接線就極為必要;
(4)Pt100鉑電阻的使用雖然簡單，但切不可想當然的在終端把兩線并三線(或并四線)接入測量儀表，一定要從Pt100鉑電阻的傳感器引出三線(或四線)，并且三線(或四線)都接入終端儀表，否則必然存在溫度虛高。