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1、查看文章热电阻测温三线制接线原理2011-03-13 20:41热电阻测温三线制接线原理热电阻测温传感器热电阻是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。使用热电阻测温的过程实际上是一个测量置于测量点上的热电阻的阻值的过程。采用三线制接线的原因电阻是基本电参数之一，其阻值 R 可按伏安特性定义,即 RU，其中U 为电阻两端的电压，I 为流过电阻的电流或者按功率 P 来定义,即 RP()。可见测量热电阻必须在热电阻两端连接导线，而导线的阻值以及阻值随温度变化的特性以及引入
2、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。这就是热电阻的三线制连接的由来。电桥三线制测量原理热电阻测量仪表（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。对图一所示的电桥，当A、C端加上电压Ue时，B、D端的电压：Uo=UeR2(R1+R2)UeR3(R
3、3+R4)当电桥平衡，即Uo=0时，有：UeR2(R1+R2)UeR3(R3+R4)整理后有：R1R3R2R或R1R2R4R3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；桥路的四个桥臂电阻R1、R2、R3、R4按相同比例变化时，输出电压Uo不变；相邻的两个桥臂电阻（R1、R4，R2、R3，R1、R2，R3、R4）按相同比例变化时，输出电压Uo不变；在平衡电桥的任意一个桥臂上增加一个电阻R，如图二所示。当R= 0时，电桥仍然保持平衡；当R发生改变时，Uo的变化仅与R的变化相关这时如果将R作为被测热电阻代入桥路，桥臂电阻的一部分转化为测量接线的电阻值R1、R2，如图三所示。
4、则根据前面的分析可以看出：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。以电桥作为热电阻测温仪表的前置电路，可以将热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
5、展，出现了一些无需采用前置电桥而测量热电阻阻值的仪表，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种多样，但是有一点是无法改变的，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4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电阻Ra、Rb和测温电阻R时将分别在这三个电阻上产生电压。不难看出，当三个导线电阻一致时，恒流电流流经R所产生的电压，等于V2V1。很显然当三个导线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
6、，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。基于三线制的高精度热电阻测量电路设计文章出处： 发布时间： 2011/03/11 | 130
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8、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020 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
9、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 ，A=3968 4710-3-1，B=-5847x10-7-2，C=-422x10-12-3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038 ，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
10、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 ，R3=100 ，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0105 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：Vc=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)
11、(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。图1 三线制平衡电桥法测量原理图2 恒压分压式三线制测量电路21 测量原理这里所使用的恒压分压式三线制法测电阻可以排除导线电阻的干扰，其等效原理图如图2所示。其中Rt为热电阻。r为导线等效电阻。VR为基准参考电压，VAD是AD转换器的参考电压，为电压放大倍
12、数。图2 恒压分压式三线制法测量原理图由欧姆定律可得基本关系式：由以上关系式可计算出：从式(3)可以看出：在已知RV和VR的情况下，欲求Rt只需测出V2和V1，而与导线电阻r没有关系。且测量精度只取决于RV的精度与V1，V2的测量精度。在电桥法中无法消除的导线电阻在恒压分压式三线制方法中被完全消除。由于热电阻当有电流通过时，会引起自身温度升高，所以必须考虑其本身自热误差，即必须考虑流过热电阻的电流所引起的升温误差。常用的Pt100热电阻驱动电流约为1 mA。0时相当于自热功率约01 mW，在高精度测量时，应进一步降低自热功率，减小自热误差。这里设置VR=2.5V，RV=10k，则自热功率约为0
13、006 mW。22 提高测量精度措施与三线制平衡电桥法相拟，图2所示的电路输出电压V1与V2数值较小，还应加入一级电压放大后，再进行AD转换。参考电压VR一般由精密恒压源提供稳定的电压信号，此外单片机软件在数学计算上选择适当的算法和字长时，该计算误差也可不计。但放大电路的放大倍数和RV会因元器件个体而异，特别是在批量生产时元器件的精度难以保证统一，因此对一个具体输入电路而言，还需考虑和RV带来的误差。为了消除和RV带来的误差，可以通过标定法，在仪表生产时进行自动标定计算，求得实际电路的和RV值，再将这两个参数记录在仪表的非易失存储器中，在仪表进行温度测量时，读取该参数按式(1)进行计算，从而得
14、到精确的测量温度。如果把图2中长导线用尽可能短的导线代替(即r=O)，并以精密电阻R代替热电阻Rt，VAD是AD转换器的参考电压，为电压放大倍数，其余部分保持不变，则有：在式(4)中，R是已知阻值的精密电阻；D是AD转换的结果，该结果可方便地从仪表显示装置中读出；VR与VAD是基准电压，为恒定的常量；为电路的总放大倍数；K是AD转换的比例因子，如对于14位的AD转换器，K=214。那么式(2)中只有2个未知数RV和。对于一个具体输入电路，如果取2个阻值已知的精密电阻R1、R2分别接入图2所示电路进行标定(标定时，尽量使r=0)，就可以得到一个二元一次方程组。这样，对于一个具体输入电路而言，可从
15、方程组解出和RV，其结果如下：上述标定方法可以总结为：2个阻值已知的精密标准电阻R1、R2分别接仪表的输入端，且使用连接导线的电阻尽量减小，这时记录仪表读数D1与D2，代入式(5)即可计算出所标定仪表的未知参数和RV。在使用中，建议将VR与VAD使用同一个基准源，这样式(5)中的计算就与参考电压的精度无关。这种方法减小了不同基准源之间的差异，特别是减小了不同基准的时漂与温漂的影响。23 测量电路图3是高精度Pt100温度测量系统的前置输入电路部分，其中Pt100基准电压与AD转换器ICL7135的基准电压为同一电压基准源，Pt100的2路测量输入信号V1与V2采用同一运算放大器放大(1+R3R4)倍后进入AD转换器，使用微型继电器K1进行通道选择，这种方法共用运算放大器、AD转换器、基准电压源，减小了不同器件之间的差异对测量结果的影响。ICL7135的AD转换结果通过串行方式与单片机相连，可以大大节约单片机的IO口。该电路在标定时
