三線制熱電阻工作原理解析及常見故障分析

1、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，對測量結(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，形成熱電偶的測量端（也稱工作端）。將它插入待測溫度的介質(zhì)

2、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)生的熱電動勢。 熱電阻是利用金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體有溫度變化時本身電阻也隨著發(fā)生變化的特性來測量溫度的，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激光濺射工藝在基片形成。當(dāng)被測介質(zhì)有溫度梯度時，則所測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)測量精度選擇：對精度要求較高選擇熱電阻，對精度要求不高選擇熱電偶；根據(jù)測量范圍選擇：熱電偶所測量的一般

3、指“點(diǎn)"溫，熱電阻所測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)線來引出電阻信號的方式叫二線制。這種引線方法很簡單，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)和長度的因素有關(guān)，因此這種引線方式只適用于測量精度較低的場合。 圖1-1 熱電阻二線制接法 如圖1-1 所示，假設(shè)現(xiàn)場的可變電阻RTD接在電橋的一個橋臂上，另外三個橋臂上均接了電阻R，這樣在檢流計中流過的電流就會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，檢流計的電壓值為，則計算如下： （1） 2.熱電阻的三線制原理在熱電阻的根部的

4、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)線電阻引起的測量誤差。這是因?yàn)闇y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)線線路電阻帶來的測量誤差。圖1-2 熱電阻的三線制接法同上我們設(shè)電源電壓為，可變電阻RTD的阻值，檢流計的電壓值為，則計算如下：由于分母中相對于整個電路來說很小，可以忽略不計，因此三線制接法

5、中的檢流計電壓 （2） 對比（1）式和（2）式，我們不難發(fā)現(xiàn)在計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)際測量熱電阻的溫度時就會將導(dǎo)線的電阻計算在內(nèi)，故而對實(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較為劇烈時，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對象。（如檢測粉倉溫度的時候，溫度基本上都不會發(fā)生劇烈的波動。）這種情況下，我們應(yīng)該到現(xiàn)場檢查熱電阻各接線端子處的端子接線是否有松動現(xiàn)象或連接導(dǎo)線有無似斷似連的

6、現(xiàn)象。 （2）若DCS畫面上顯示的熱電阻溫度為零，但是在現(xiàn)場用萬用表測A、C或者B、C間的電阻值時，發(fā)現(xiàn)阻值與實(shí)際相符。這時我們先到工程師站調(diào)出這個點(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。這時候應(yīng)對電阻桿接線盒內(nèi)的接線柱和各個中間端子箱的對應(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)溫度值顯示為無窮大時，一般情況下故障原因是由于線路開路引起。 （4）如

7、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，與電位差計相連接，其中兩根引線與恒流源相連，讓熱電阻流過已知電流；另外兩根引線將熱電阻上的電壓降引到電位差計的測量端，電位差計測得該電壓降，便可得到（）。其接線圖如圖1-3所示。由于是在電位差計平衡時讀數(shù)，電位差計不取電流，因此兩根測量引線沒有電流流過，從而完全消除了引線電阻變化對測溫的影響。四線制接法適用于精密測溫用的熱電阻，通常在實(shí)驗(yàn)室測溫和計量標(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

8、式三線制測量電路 為了消除導(dǎo)線電阻的影響，熱電阻測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，電路簡單，實(shí)現(xiàn)方便，可完全消除導(dǎo)線電阻的影響。(1) 測量原理這里所使用的恒壓分壓式三線制法測電阻可以排除導(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只需測出V2和V

9、1，而與導(dǎo)線電阻r沒有關(guān)系。且測量精度只取決于RV的精度和V1、V2的測量精度。在電橋法中無法消除的導(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)有電流通過時，會引起自身溫度升高，所以必須考慮其本身自熱誤差，即必須考慮流過熱電阻的電流所引起的升溫誤差。 （2）提高測量精度的措施 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，此外單片機(jī)軟件在數(shù)學(xué)計算上選擇適當(dāng)?shù)乃惴ê妥珠L時，該計算誤差也可不計。但放大電路的放大倍數(shù)和RV會因元器件個體而異，特別是在批量生產(chǎn)時元器件的精度難以保證統(tǒng)

10、一，因此對一個具體輸入電路而言，還需考慮和RV帶來的誤差。 為了消除和RV帶來的誤差，可以通過標(biāo)定法，在儀表生產(chǎn)時進(jìn)行自動標(biāo)定計算，求得實(shí)際電路的和RV值，再將這兩個參數(shù)記錄在儀表的非易失存儲器中，在儀表進(jìn)行溫度測量時，讀取該參數(shù)按公式進(jìn)行計算，從而得到精確的測量溫度。如果把圖2中長導(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） 對于一個具體輸入電路，如果取2個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，盡量使r=0)，就可以得到一個二元一次方程組。這樣，對于一個具體輸入電

11、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，這時記錄儀表讀數(shù)D1與D2，代入式(5)即可計算出所標(biāo)定儀表的未知參數(shù)和RV。在使用中，建議將VR與VAD使用同一個基準(zhǔn)源，這樣式(5)中的計算就與參考電壓的精度無關(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)的時漂與溫漂的影響。 3. 測量電路試驗(yàn)分析 對比三線制平衡電橋法，該電路檢測結(jié)果得到了大大提高，表1是2種不同方法的測量標(biāo)準(zhǔn)電阻值的對比。其中r為線路電阻。具體的測量結(jié)果如表1所示。表1 熱電阻阻值的測量結(jié)果 從表

12、1中可以看出，由于三線制平衡電橋法理論測量結(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，隨待測熱電阻阻值增大，絕對誤差也呈增大的均勢。表1中，最大相對誤差為被測電阻Rt=300 ，線路電阻r=20 時，達(dá)到了257。本文采用改進(jìn)后的三線制法的實(shí)測結(jié)果在所測數(shù)據(jù)范圍內(nèi)最大絕對誤差只有03 ，最大相對誤差為±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)到更高的測量精度。在實(shí)際的熱電阻傳感器測溫儀表中，還需加入由被測電阻轉(zhuǎn)換為對應(yīng)溫度的相關(guān)程序。五結(jié)論 本文通過對三線制與二線制熱電阻測量原理和電路的分析，闡述了三線制熱電阻在測量溫度時優(yōu)于二線制的原因，即三線制能減小導(dǎo)線電阻對測量結(jié)果的影響。同時還提出了進(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)場的情況，我們還分析了現(xiàn)場熱電阻測溫度時所遇到的一些故障以及解決方法，從而讓我們更好的認(rèn)識了熱電阻這個看似簡單的測溫器件。六參考文獻(xiàn)1 黃芳 徐閩燕