目前应用最广泛的热电阻材料是铂和铜:铂电阻精度高,适用于中性和氧化性介质,稳定性好,具有一定的非线性,温度越高电阻变化率越小;铜电阻在测温范围内电阻值和温度呈线性关系,温度线数大,适用于无腐蚀介质,超过150易被氧化。中国最常用的有R0=10Ω、R0=100Ω和R0=1000Ω等几种,它们的分度号分别为Pt10、Pt100、Pt1000;铜电阻有R0=50Ω和R0=100Ω两种,它们的分度号为Cu50和Cu100。其中Pt100和Cu50的应用最为广泛。
热电阻接线方式
热电阻是把温度变化转换为电阻值变化的一次元件,通常需要把电阻信号通过引线传递到计算机控制装置或者其它一次仪表上。工业用热电阻安装在生产现场,与控制室之间存在一定的距离,因此热电阻的引线对测量结果会有较大的影响。
热电阻(图5)
目前热电阻的引线主要有三种方式:
二线制:在热电阻的两端各连接一根导线来引出电阻信号的方式叫二线制:这种引线方法很简单,但由于连接导线必然存在引线电阻r,r大小与导线的材质和长度的因素有关,因此这种引线方式只适用于测量精度较低的场合
三线制:在热电阻的根部的一端连接一根引线,另一端连接两根引线的方式称为三线制,这种方式通常与电桥配套使用,可以较好的消除引线电阻的影响,是工业过程控制中的最常用的。
四线制:在热电阻的根部两端各连接两根导线的方式称为四线制,其中两根引线为热电阻提供恒定电流I,把R转换成电压信号U,再通过另两根引线把U引至二次仪表。可见这种引线方式可完全消除引线的电阻影响,主要用于高精度的温度检测。
热电阻采用三线制接法。采用三线制是为了消除连接导线电阻引起的测量误差。这是因为测量热电阻的电路一般是不平衡电桥。热电阻作为电桥的一个桥臂电阻,其连接导线(从热电阻到中控室)也成为桥臂电阻的一部分,这一部分电阻是未知的且随环境温度变化,造成测量误差。采用三线制,将导线一根接到电桥的电源端,其余两根分别接到热电阻所在的桥臂及与其相邻的桥臂上,这样消除了导线线路电阻带来的测量误差。
热电阻测量电路常用三线制电桥的原因
采用三线制是为了消除连接导线电阻引起的测量误差。这是因为测量热电阻的电路一般是不平衡电桥。热电阻作为电桥的一个桥臂电阻,其连接导线(从热电阻到中控室)也成为桥臂电阻的一部分,这一部分电阻是未知的且随环境温度变化,造成测量误差。采用三线制,将导线一根接到电桥的电源端,其余两根分别接到热电阻所在的桥臂及与其相邻的桥臂上,这样消除了导线线路电阻带来的测量误差。
针对使用中出现的三线制平衡电桥温度测温不准确问题,提出了一种与测量导线电阻无关的恒压分压式三线制热电阻测温方法。在分析了三线制平衡电桥法的基础上,提出了测量电路模型,描述了消除导线电阻的测量方法,分析了提高测量精度的措施,推导出了数字校准公式。
使用通用运算放大器OP07与14位分辨率双积分型A/D转换器ICL7135设计了简洁的输入检测电路。经实验验证,该电路对于Pt100热电阻,导线电阻在0~20 Ω范围内,热电阻测量误差将优于±0.1%。
热电阻传感器是一种电阻值随环境温度变化而改变的温度传感器,其中用金属铂做成的热电阻因具有稳定性好、精度高、测温范围大等优点,而被广泛应用。测量温度的热电阻测温仪主要由热电阻传感器、测量显示仪表及连接导线组成。
由于热电阻传感器自身的温度灵敏度较低,连接导线所具有的线路电阻对测量结果影响不容忽视,为了消除导线电阻的影响,热电阻测温仪广泛采用平衡电桥式三线制接法,这种方法使温度误差得到一定的补偿,但线路电阻的影响依然存在。提出基于恒压分压式三线制导线电阻补偿方法,电路简单,实现方便,可完全消除导线电阻的影响。相比于文献所提出的使用较多的硬件电路进行导线电阻补偿方法,该方法具有更加简洁的导线电阻补偿电路。
1 常用热电阻测量方法分析
对于Pt100铂热电阻,国际温标BS-90中给出其阻值随温度变化关系如式(1)所示。
式中,Rt为热电阻在温度为t℃时的阻值,R0为热电阻在温度为0℃时的阻值,R0=100 Ω,A=3.968 47&TImes;10-3℃-1,B=-5.847x10-7℃-2,C=-4.22x10-12℃-3是与传感器自身相关的系数。
由式(1)可知,Pt100热电阻的灵敏度约为0.38 Ω/℃,为减小连接导线的线路电阻对测量结果的影响,一般常用三线制电桥法进行测量。VR=1 V其电路原理如图1所示。Rt为测温电阻,r为连接导线电阻,R1、R2、R3为固定桥臂,R1=R2=1 000 Ω,R3=100 Ω,VR为基准参考电压,G为测量仪表。在该电路中,3根导线分别连接传感器桥臂、电阻桥臂和输出端。采用这个方法可以很容易地测出待测电阻Rt。但是,在实际使用时,温度传感器和测温电路之间往往有一定距离,连接导线的电阻率约为0.1~0.5 Ω/m,连接导线电阻r所引起的测量误差不能忽视。
如图1所示的电桥,在不考虑线路电阻r时,电桥的输出为:V‘c=VRRt/(R1 Rt)-VRR3/(R2 R3),考虑线路电阻时,电桥输出Vc=VR(Rt r)/(R1 Rt r)-VR(R3 r)/(R2 R3 r),假设电桥在Rt=Rx时电桥平衡,即R2Rx=R1R3,且满足桥臂电阻R1=R2=R3=Rx=R,当Rt发生△R变化时,即Rt=R △R,可计算出此时电桥因线路电阻r的存在造成的误差为:
可以看出导线电阻r影响Rt的测量结果,并且无法通过调零电路完全消除。基于以上分析,提出了一种可完全消除导线误差的恒压分压式三线制高精度前置电路。