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热电阻测温三线制接法及原理解析

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  热精密电阻的测温原理是基于导体或半导体的精密电阻值随温度变化而变化这一特性来测量温度及与温度有关的参数。热精密电阻大都由纯金属材料制成,目前应用最多的是铂和铜,现在已开始采用镍、锰和铑等材料制造热精密电阻。热精密电阻通常需要把精密电阻信号通过引线传递到计算机控制装置或者其它二次仪表上。

  热精密电阻测温传感器

  热精密电阻是精密电阻值随温度变化的温度检测元件。它是利用物体(常见的是特定的金属或半导体材料)的导电率随温度变化而变化的原理制成。它的阻值跟温度的变化成正比,随着温度上升而成匀速增长。

  使用热精密电阻测温的过程实际上是一个测量置于测量点上的热精密电阻的阻值的过程。

  采用三线制接线的原因

  精密电阻是基本电参数之一,其阻值 R 可按伏安特性定义,即 R=U/I,其中U 为精密电阻两端的电压,I 为流过精密电阻的电流或者按功率 P 来定义,即 R=P/(I^2)。。

  可见测量热精密电阻必须在热精密电阻两端连接导线,而导线的阻值以及阻值随温度变化的特性以及引入的其它干扰,必然会影响测量结果。而要消除这种影响,就必须知道引线的状况,在对热精密电阻进行测量的同时,从引线的两端对引线进行监测。在两根引线参数一致的前提下,要知道其中一根的状况,至少需要增加一根导线,用来将测量引线中的一根的现场端连接到仪表端。这就是热精密电阻的三线制连接的由来。

  电桥三线制测量原理

  热精密电阻测量仪表(温度指示仪、温度变送器等)比较常见的是采用电桥作为前置电路,在采用三线制的条件下,能够有效的消除现场到控制室之间数十到数千米导线对的测量造成的影响。

  为了说明其工作原理,下面从电桥平衡原理说起。

  热精密电阻测温三线制接法及原理解析

  C端加上电压Ue时,B、D端的电压:

  Uo=Ue&TImes;[R2/(R1+R2)]-Ue&TImes;[R3/(R3+R4)]

  当电桥平衡,即Uo=0时,有:

  Ue&TImes;[R2/(R1+R2)]=Ue&TImes;[R3/(R3+R4)]

  整理后有:

  R1×R3=R2×R4 或 R1/R2=R4/R3

  由这个公式可以看出电桥平衡时:

  供电电压Ue波动时,输出电压Uo不变;

  桥路的四个桥臂精密电阻R1、R2、R3、R4按相同比例变化时,输出电压

  Uo不变;

  热精密电阻测温三线制接法及原理解析

  C端加上电压Ue时,B、D端的电压:

  Uo=Ue×[R2/(R1+R2)]-Ue×[R3/(R3+R4)]

  当电桥平衡,即Uo=0时,有:

  Ue×[R2/(R1+R2)]=Ue×[R3/(R3+R4)]

  整理后有:

  R1×R3=R2×R4 或 R1/R2=R4/R3

  由这个公式可以看出电桥平衡时:

  供电电压Ue波动时,输出电压Uo不变;

  桥路的四个桥臂精密电阻R1、R2、R3、R4按相同比例变化时,输出电压

  Uo不变;

  热精密电阻测温三线制接法及原理解析

  当Ra’、Rb’按相同比例发生变化时,对桥路输出Uo没有影响。Rc变化会影响桥路供电电压,但对输出Uo没有影响。桥路输出Uo仅和被测热精密电阻R△有关。

  在实际测量电路中,电桥并不一定设计成平衡状态,热精密电阻从那个桥臂接入也没有一定之规,但采用三线制接法,利用电桥的平衡能力消除连接导线影响的基本原理是相通的。

  以电桥作为热精密电阻测温仪表的前置电路,可以将热精密电阻的阻值直接转换成

  相应的电压,对后续电路没有严格要求,同时可以有效克服接线精密电阻对测量的影响。通过对桥路参数的合理选择,可以使仪表获得良好的抗干扰能力,所以在热精密电阻测温仪表中广泛采用。

  其它三线制测量方法

  近些年来,随着大规模集成电路的发展,出现了一些无需采用前置电桥而测量热精密电阻阻值的仪表,一些仪表厂商还开发出了具有完整温度变送器功能的集成模块。虽然这些测量仪表方式多

  热精密电阻测温三线制接法及原理解析

  改变的,就是如果要消除接线电路对测量的影响,就至少需要知道其中一根导线所产生的影响。也就是说除非可以忽略连接导线对测量的影响,否则至少需要三根连线。

  图四是一个集成温度变送器前置部分的原理示意:当恒流电流流经线路精密电阻Ra、Rb和测温精密电阻R△时将分别在这三个精密电阻上产生电压。不难看出,当三个导线精密电阻一致时,恒流电流流经R△所产生的电压,等于V2-V1。很显然当三个导线精密电阻发生等量变化时,这个关系依然成立。

  三线制测量对导线的要求

  从上面的原理分析可以看出,无论采用哪种方法,要消除导线Ra、Rb对于测量的影响,都有一个要求两根导线的阻值以及在受环境影响发生的变化量都完全一致的要求。

  同时对于导线Rc,虽然从理论上对测量不会发生影响,但那只是在理想状态下的推导,实际工作中,仍然会对测量产生影响,而要消除这种影响,就必须对这根导线的状态有所了解,最简单的做法,就是让这根线和其它两根线保持一致。 所以在采用三线制接线要求采用相同阻值和材质的导线,最简单的方法就是:采用同规格同材质的导线,例如使用三芯电缆;同时避免或减少中间接头,因为接头的质量有可能对测量产生影响。