三線制熱電阻工作原理解析及常見(jiàn)故障分析.doc

三線制熱電阻傳感器的故障分析摘要：熱電阻傳感器是一種穩(wěn)定性好、精度高、測(cè)量范圍大的溫度傳感器，因而被廣泛應(yīng)用。但是熱電阻傳感器的連接導(dǎo)線電阻隨溫度的變化而變化，對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響不容忽視。為了消除導(dǎo)線電阻的影響，熱電阻測(cè)溫常采用不平衡電橋式三線制接法，從而使溫度誤差得到了補(bǔ)償。關(guān)鍵詞：熱電阻、平衡電橋、三線制一、 熱電阻與熱電偶的區(qū)別1.熱電阻和熱電偶的工作原理 熱電偶工作原理是基于賽貝克效應(yīng),即兩種不同熱點(diǎn)特性的導(dǎo)體兩端連接成回路，如兩連接端溫度不同，則在回路內(nèi)產(chǎn)生熱電勢(shì)的物理現(xiàn)象。它由兩根不同導(dǎo)線（熱電極）組成，它們的一端是互相焊接的，形成熱電偶的測(cè)量端（也稱工作端）。將它插入待測(cè)溫度的介質(zhì)中；而熱電偶的另一端 （參比端或自由端）則與顯示儀表相連。如果熱電偶的測(cè)量端與參比端存在溫度差，則顯示儀表將指出熱電偶產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)。 熱電阻是利用金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體有溫度變化時(shí)本身電阻也隨著發(fā)生變化的特性來(lái)測(cè)量溫度的，熱電阻的受熱部分（感溫元件）是用細(xì)金屬絲均勻地繞在絕緣材料作成的骨架上或通過(guò)激光濺射工藝在基片形成。當(dāng)被測(cè)介質(zhì)有溫度梯度時(shí)，則所測(cè)得的溫度是感溫元件所在范圍內(nèi)介質(zhì)層的平均溫度。2. 如何選擇熱電偶和熱電阻 根據(jù)測(cè)溫范圍選擇：500以上一般選擇熱電偶，500以下一般選擇熱電阻；根據(jù)測(cè)量精度選擇：對(duì)精度要求較高選擇熱電阻，對(duì)精度要求不高選擇熱電偶；根據(jù)測(cè)量范圍選擇：熱電偶所測(cè)量的一般指“點(diǎn)溫，熱電阻所測(cè)量的一般指空間平均溫度。二熱電阻的二線制原理和三線制原理的區(qū)別1.熱電阻的二線制原理在熱電阻的兩端各連接一根導(dǎo)線來(lái)引出電阻信號(hào)的方式叫二線制。這種引線方法很簡(jiǎn)單，但由于連接導(dǎo)線必然存在引線電阻r，r大小與導(dǎo)線的材質(zhì)和長(zhǎng)度的因素有關(guān)，因此這種引線方式只適用于測(cè)量精度較低的場(chǎng)合。 圖1-1 熱電阻二線制接法 如圖1-1 所示，假設(shè)現(xiàn)場(chǎng)的可變電阻RTD接在電橋的一個(gè)橋臂上，另外三個(gè)橋臂上均接了電阻R，這樣在檢流計(jì)中流過(guò)的電流就會(huì)隨著熱電阻阻值的變化而變化。設(shè)電源電壓為，可變電阻RTD的阻值，檢流計(jì)的電壓值為，則計(jì)算如下： （1） 2.熱電阻的三線制原理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的方式稱為三線制，通常熱電阻采用三線制接法。采用三線制是為了消除連接導(dǎo)線電阻引起的測(cè)量誤差。這是因?yàn)闇y(cè)量熱電阻的電路一般是不平衡電橋。熱電阻作為電橋的一個(gè)橋臂電阻，其連接導(dǎo)線（從熱電阻到中控室）也成為橋臂電阻的一部分，這一部分電阻是未知的且隨環(huán)境溫度變化，造成測(cè)量誤差。采用三線制，將導(dǎo)線一根接到電橋的電源端，其余兩根分別接到熱電阻所在的橋臂及與其相鄰的橋臂上，這樣消除了導(dǎo)線線路電阻帶來(lái)的測(cè)量誤差。圖1-2 熱電阻的三線制接法同上我們?cè)O(shè)電源電壓為，可變電阻RTD的阻值，檢流計(jì)的電壓值為，則計(jì)算如下：由于分母中相對(duì)于整個(gè)電路來(lái)說(shuō)很小，可以忽略不計(jì)，因此三線制接法中的檢流計(jì)電壓 （2） 對(duì)比（1）式和（2）式，我們不難發(fā)現(xiàn)在計(jì)算得到的二線制接法的中分子多了導(dǎo)線的電阻，因此在實(shí)際測(cè)量熱電阻的溫度時(shí)就會(huì)將導(dǎo)線的電阻計(jì)算在內(nèi)，故而對(duì)實(shí)際的結(jié)果造成誤差。所以在實(shí)際應(yīng)用中，三線制熱電阻比二線制更加精準(zhǔn)，應(yīng)用也更加廣泛。三實(shí)際應(yīng)用中三線制熱電阻的故障分析 （1）當(dāng)DCS畫面上顯示的熱電阻溫度波動(dòng)較為劇烈時(shí)，一般情況下均是接觸不良所造成的。這是因?yàn)闇囟仁且环N變化比較緩慢的量，屬于慣性環(huán)節(jié)。特別是熱容較大的被測(cè)對(duì)象。（如檢測(cè)粉倉(cāng)溫度的時(shí)候，溫度基本上都不會(huì)發(fā)生劇烈的波動(dòng)。）這種情況下，我們應(yīng)該到現(xiàn)場(chǎng)檢查熱電阻各接線端子處的端子接線是否有松動(dòng)現(xiàn)象或連接導(dǎo)線有無(wú)似斷似連的現(xiàn)象。 （2）若DCS畫面上顯示的熱電阻溫度為零，但是在現(xiàn)場(chǎng)用萬(wàn)用表測(cè)A、C或者B、C間的電阻值時(shí)，發(fā)現(xiàn)阻值與實(shí)際相符。這時(shí)我們先到工程師站調(diào)出這個(gè)點(diǎn)的點(diǎn)詳細(xì)，找出熱電阻連接的模塊的位置，然后看看該模塊的接線情況，如果一切正常，那就是電纜的問(wèn)題了。 （3）如果DCS畫面顯示的溫度比實(shí)際的高，則可能由于接線端子接觸不良或接線松脫、這段造成電阻增大所至。這時(shí)候應(yīng)對(duì)電阻桿接線盒內(nèi)的接線柱和各個(gè)中間端子箱的對(duì)應(yīng)端子進(jìn)行檢查并緊固。另外也有可能由于端子與導(dǎo)線間有氧化層使得電阻增大所引起，這種情況可使用砂紙或其他工具將氧化層去除即可。當(dāng)溫度值顯示為無(wú)窮大時(shí)，一般情況下故障原因是由于線路開(kāi)路引起。 （4）如果DCS畫面顯示的溫度比實(shí)際的要低，則線路中可能有短路現(xiàn)象或者是三線制的C線電阻增大所引起。 四、提高熱電阻測(cè)溫精度的方法 1、熱電阻的四線制接法 在熱電阻體的電阻絲兩端各連入兩根引出線，與電位差計(jì)相連接，其中兩根引線與恒流源相連，讓熱電阻流過(guò)已知電流；另外兩根引線將熱電阻上的電壓降引到電位差計(jì)的測(cè)量端，電位差計(jì)測(cè)得該電壓降，便可得到（）。其接線圖如圖1-3所示。由于是在電位差計(jì)平衡時(shí)讀數(shù)，電位差計(jì)不取電流，因此兩根測(cè)量引線沒(méi)有電流流過(guò)，從而完全消除了引線電阻變化對(duì)測(cè)溫的影響。四線制接法適用于精密測(cè)溫用的熱電阻，通常在實(shí)驗(yàn)室測(cè)溫和計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)工作中使用。圖1-3 熱電阻的四線制接法 2. 恒壓分壓式三線制測(cè)量電路 為了消除導(dǎo)線電阻的影響，熱電阻測(cè)溫儀廣泛采用平衡電橋式三線制接法，這種方法使溫度誤差得到一定的補(bǔ)償，但線路電阻的影響依然存在。提出基于恒壓分壓式三線制導(dǎo)線電阻補(bǔ)償方法，電路簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)方便，可完全消除導(dǎo)線電阻的影響。(1) 測(cè)量原理這里所使用的恒壓分壓式三線制法測(cè)電阻可以排除導(dǎo)線電阻的干擾，其等效原理圖如圖1-4所示。其中Rt為熱電阻，r為導(dǎo)線等效電阻。VR為基準(zhǔn)參考電壓，VAD是轉(zhuǎn)換器的參考電壓，為電壓放大倍數(shù)。圖1-4 恒壓分壓式三線制法測(cè)量原理圖由歐姆定律可得基本關(guān)系式：由以上關(guān)系式可計(jì)算出： （3） 由式（3）可以看出：在已知RV和VR的情況下，欲求Rt只需測(cè)出V2和V1，而與導(dǎo)線電阻r沒(méi)有關(guān)系。且測(cè)量精度只取決于RV的精度和V1、V2的測(cè)量精度。在電橋法中無(wú)法消除的導(dǎo)線電阻在恒壓分壓式三線制方法中被完全消除。由于熱電阻當(dāng)有電流通過(guò)時(shí)，會(huì)引起自身溫度升高，所以必須考慮其本身自熱誤差，即必須考慮流過(guò)熱電阻的電流所引起的升溫誤差。 （2）提高測(cè)量精度的措施 與三線制平衡電橋法相似，圖2所示的電路輸出電壓V1與V2數(shù)值較小，還應(yīng)加入一級(jí)電壓放大后，再進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。參考電壓VR一般由精密恒壓源提供穩(wěn)定的電壓信號(hào)，此外單片機(jī)軟件在數(shù)學(xué)計(jì)算上選擇適當(dāng)?shù)乃惴ê妥珠L(zhǎng)時(shí)，該計(jì)算誤差也可不計(jì)。但放大電路的放大倍數(shù)和RV會(huì)因元器件個(gè)體而異，特別是在批量生產(chǎn)時(shí)元器件的精度難以保證統(tǒng)一，因此對(duì)一個(gè)具體輸入電路而言，還需考慮和RV帶來(lái)的誤差。 為了消除和RV帶來(lái)的誤差，可以通過(guò)標(biāo)定法，在儀表生產(chǎn)時(shí)進(jìn)行自動(dòng)標(biāo)定計(jì)算，求得實(shí)際電路的和RV值，再將這兩個(gè)參數(shù)記錄在儀表的非易失存儲(chǔ)器中，在儀表進(jìn)行溫度測(cè)量時(shí)，讀取該參數(shù)按公式進(jìn)行計(jì)算，從而得到精確的測(cè)量溫度。如果把圖2中長(zhǎng)導(dǎo)線用盡可能短的導(dǎo)線代替(即r=0)，并以精密電阻R代替熱電阻Rt，VAD是AD轉(zhuǎn)換器的參考電壓，為電壓放大倍數(shù)，其余部分保持不變，則有： （4） 對(duì)于一個(gè)具體輸入電路，如果取2個(gè)阻值已知的精密電阻R1、R2分別接入圖2所示電路進(jìn)行標(biāo)定(標(biāo)定時(shí)，盡量使r=0)，就可以得到一個(gè)二元一次方程組。這樣，對(duì)于一個(gè)具體輸入電路而言，可從方程組解出和RV，其結(jié)果如下： (5)上述標(biāo)定方法可以總結(jié)為：2個(gè)阻值已知的精密標(biāo)準(zhǔn)電阻R1、R2分別接儀表的輸入端，且使用連接導(dǎo)線的電阻盡量減小，這時(shí)記錄儀表讀數(shù)D1與D2，代入式(5)即可計(jì)算出所標(biāo)定儀表的未知參數(shù)和RV。在使用中，建議將VR與VAD使用同一個(gè)基準(zhǔn)源，這樣式(5)中的計(jì)算就與參考電壓的精度無(wú)關(guān)。這種方法減小了不同基準(zhǔn)源之間的差異，特別是減小了不同基準(zhǔn)的時(shí)漂與溫漂的影響。 3. 測(cè)量電路試驗(yàn)分析 對(duì)比三線制平衡電橋法，該電路檢測(cè)結(jié)果得到了大大提高，表1是2種不同方法的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)電阻值的對(duì)比。其中r為線路電阻。具體的測(cè)量結(jié)果如表1所示。表1 熱電阻阻值的測(cè)量結(jié)果 從表1中可以看出，由于三線制平衡電橋法理論測(cè)量結(jié)果即存在較大誤差，且隨線路電阻r的增加，引起的誤差越大，隨待測(cè)熱電阻阻值增大，絕對(duì)誤差也呈增大的均勢(shì)。表1中，最大相對(duì)誤差為被測(cè)電阻Rt=300 ，線路電阻r=20 時(shí)，達(dá)到了257。本文采用改進(jìn)后的三線制法的實(shí)測(cè)結(jié)果在所測(cè)數(shù)據(jù)范圍內(nèi)最大絕對(duì)誤差只有03 ，最大相對(duì)誤差為01。電路使用的AD轉(zhuǎn)換器僅相當(dāng)于14位的AD轉(zhuǎn)換精度，若使用更高精度的AD轉(zhuǎn)換器，可達(dá)到更高的測(cè)量精度。在實(shí)際的熱電阻傳感器測(cè)溫儀表中，還需加入由被測(cè)電阻轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)溫度的相關(guān)程序。五結(jié)論 本文通過(guò)對(duì)三線制與二線制熱電阻測(cè)量原理和電路的分析，闡述了三線制熱電阻在測(cè)量溫度時(shí)優(yōu)于二線制的原因，即三線制能減小導(dǎo)線電阻對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。同時(shí)還提出了進(jìn)一步消除導(dǎo)線電阻的兩種方法：四線制和恒壓分壓式三線制，但是實(shí)際應(yīng)用中，三線制熱電阻的運(yùn)用范圍還是很廣泛的。其次，結(jié)合三線制熱電阻的理論分析和現(xiàn)場(chǎng)的情況，我們還分析了現(xiàn)場(chǎng)熱電阻測(cè)溫度時(shí)所遇到的一些故障以及解決方法，從而讓我們更好的認(rèn)識(shí)了熱電阻這個(gè)看似簡(jiǎn)單的測(cè)溫器件。六參考文獻(xiàn)1 黃芳 徐閩燕.