铂热电阻不同接线方式的测试原理分析及应用

摘要:铂热电阻由于其阻值与温度良好的线性关系，在温度测量领域内广泛应用。文章重点阐述了铂热电阻不同接线方式的测量原理，并对各测量方法的优缺点进行分析对比,为实际应用提供参考建议。
铂热电阻值随温度变化而变化，并且具有很好的重现性和稳定性,利用铂电阻的这种物理特性而制成的传感器称为铂热电阻温度传感器，常见的铂热电阻温度传感器有Pt10、Pt100、Pt500、Pt1000等。铂热电阻温度传感器精度高,稳定性好，应用温度范围广，是工业上常用的一种温度检测器。铂热在电阻测温时,通常是将铂热电阻以二线制、三线制或者四线制的形式接入二次仪表测出其电阻值。不同的接线方式对其精度及应用环境存在较大的影响。
1铂热电阻的测温原理及特性
       铂热电阻的阻值随温度成线性变化,一般情况下，其阻值随温度的增加而增大,根据《JIG229-2010工业铂.铜热电阻检定规程》工业铂热电阻值与温度之间的函数关系:

       其中，t为铂热电阻温度,℃;R,为t℃时的铂热电阻阻值,Ω;R0为0℃时的阻值,W1为工业热电阻的电阻比值。
2铂热电阻的测量原理及方法
       铂热电阻是电阻式温度传感器，测温的本质是测量传感器的电阻值。通常是电测设备给铂热电阻施加一个恒定激励电流，然后,测量其两端电压，利用欧姆定律(R=U/D计算电阻值,再将电阻值换算成温度值，从而实现温度的测量。铂热电阻与电测设备之间的接线方式有三种,分别是二线制、三线制和四线制。
2.1二线制测量方法
       二线制测量方法,就是用恒流源给铂热电阻两端的导线施加激励电流[,并测得两端导线之间的电压U,通过公式R=U/1,得到的铂热电阻的阻值,如图1所示。

      图中,R1为铂热电阻;RL1为导线L1的等效电阻;R12为导线L2的等效电阻。
     图中，电测仪表通过导线LI、L2给铂热电阻施加恒定电流I,测得电势V1、V2,因此,R,电阻值如下:
Rt=(V1-V2)/I-RL1-R12
      由于二线制接法在测量的时候，无法测知铂热电阻.两端导线的阻值RL1-R12是测量结果产生附加误差。
2.2三线制测量方法
      三线制测量方法，就是在二线制的基础上,给铂热电阻的其中一端增加1根导线，用来补偿导线电阻的带来的测量误差，并将这3根导线接入不平衡电桥。三线制测法要求3根导线的长度、线径和材质完全一样，并且工作温度相同，从而使3根导线阻值相同,如图2所示。
      图2中,3根与铂热电阻Rt相连的导线长度相等,线径和材质相同,其导线的等效阻值都是RL1=R12=R13=r,其中，Ru与电桥的电源端直接相连,R12和R13分别串接在电桥的两个桥臂上，当电桥平衡时,R，有以下关系式:
R2(Rt,+RL3)=R1(R3+R12)

       当满足R1=R2时，则等号右边包含r的两项完全抵消，这种情况与r=0的电桥平衡公式完全相同,此时导线线阻r将不会引起铂热电阻的测量误差。因此,如果要完全消除导线电阻带来的影响,不平衡电桥必须处于平衡状态，且电阻R1=R2。
2.3四线制测量方法
       四线制测量方法,是在二线制的基础上,在铂热电阻两端各增加一根导线,给新增加的这两根导线上提供恒定的激励电流，用电压表测量另外两根导线之间的压降，由于电压表的内阻很高,因此,经导线流入电压表的电流几乎为零,这样就可以测量铂热电阻两端的压降，再利用欧姆定律就可以计算出其电阻值,如图3所示。

       图3中,通过导线L1、L2给铂热电阻施加恒定电流I,测得导线L3、L4两端电势V3、V4。将导线L3、L4接入电压.表,由于电压表的高输入阻抗导致I3=0,Ix=0,因此R,电阻值如下:
Rt=(V4-V3)/I
3铂热电阻不同测量方法的优缺点及应用
3.1二线制测法
       二线制测法是在铂热电阻两端各连1根导线，直接接入电测设备进行测量。这种接线方式虽然简单，但是不可避免的引入导线电阻r，r的大小与导线的长度、线径、材质，以及工作温度有关,因此,这种接线方式适用于测试距离很近，且精度要求不高的场合。如果测试结果不对导线电阻进行修正的话,那么连接导线不宜过长。
3.2三线制测法
       三线制测法是在铂热电阻的一端引出两根导线，另一端引出1根导线接入测量回路,此种方式要求引出的3根导线长度、线径和材质均相同。测量回路一般采用不平衡电桥，当电桥平衡,且有两个桥臂电阻R1=R2时,能够完全消除导线电阻引入的测量误差。但由于铂热电阻是不平衡电桥的一个桥臂电阻,与其连接导线(从铂热.电阻测温现场至测量控制室)电阻也附加为桥臂电阻的一部分，这一部分电阻随环境温度变化，因而会造成一定的测量误差。当采用铂热电阻与不平衡电桥配合测量温度时，虽然不能彻底消除导线电阻引入的误差,但是已大大减小了测量误差。在工业环境中,测温点一般都在现场，而控制及显示设备一般都在控制室，两者之间距离可能数十至数百米,三线制测法正好适用于这种测试距离较远，精度要求较高的场合，因而被广泛应用于工业生产中。
3.3四线制测法
       四线制测法是在铂热电阻的两端各用两根导线接入测量回路，在其两端各选取1根导线通以恒定电流,把电阻值转换成电压信号,再将另外两根导线接入电测仪表。这种接线方式可以完全消除导线电阻带来的误差。.因此,四线制测量适用于计量单位、实验室等精度高的温度测量场所。由于这种测法需要的导线数量最多，尤其在长距离测温环境中经济性比较差,成本也相对较高。
4结语
       铂热电阻是一种应用非常广泛的温度测量传感器，在-50℃~600℃的范围内具有其它任何温度传感器无法比拟的优势，它具有良好的稳定性,精度高、抗干扰能力强等优点。一般来说，短距离选用二线制接法,中远距离选用三线制接法，要求精度高选用四线制接法。如果精度要求一般，采用三线制接法是经济、稳定、实用的选择。三种接线方式都有各自的优缺点，具体选用哪种方.式,应该根据实际环境和需求情况决定。