三线制热电阻测温测温

三线制热电阻测温系统 实验装置改进 Wangyuan 摘 要 在进行测定 PT100 铂电阻的过程中 发现在实验操作 仪器均无误的情况下 其测得的数值均呈一定规律地偏离了标准数值大小 原来是是在实验过程中存 在多方面的系统误差 我们希望通过减小系统误差从而使实验测得的数据与标 准值数值大小相符合 关键词 PT100 铂电阻 系统误差 三线制 自热误差 传热和辐射误差 1 pt100 铂热电阻设计原理 PT100 是铂热电阻 简称为 PT100 铂电阻 它的阻值会随着温度的变化而 改变 PT 后的 100 即表示它在 0 时阻值为 100 欧姆 在 100 时它的阻值约 为 138 5 欧姆 它的工业原理 当 PT100 在 0 摄氏度的时候他的阻值为 100 欧 姆 它的的阻值会随着温度上升它的阻值是成匀速增长 如下图 2 pt100 铂电阻温度特性及测温原理的实验过程分析 在研究 PT100 铂电阻的温度特性以及其测温原理的过程中 本过程是通过 先升温后降温进行测试的 通过多次测定 PT100 铂电阻大小着温度的变化而变 化的数值 并通过取平均值的方法 得到一系列数据 再通过查阅铂电阻 PT100 分度表 并将表格内的数据与先前实验所测得的数据进行比对 不难发 现 上述通过多次测量并取平均值的数据分别与铂电阻 PT100 分度表所显示的 数据有微小的出入 通过建立数据对比图 通过以上两幅折线图可得知 在 PT100 电阻阻值测定的过程中 当温度在 60 之前 所测定的数值比标准值要 高 当温度在在 60 之后 其测定的数值比标准值低 而两条曲线的增长趋势 亦有所不同 标准值的回归直线斜率显然要比测定值的回归直线斜率要略高 如下图 3 对系统误差分析 对于一般的热电阻测温系统 其来自装置的误差有以下 1 显示仪表的误差 1 2 非线性误差 1 L uom uom uom 0 100 t t2 m 1 m 100 3 热电阻分度误差 3 铂热电阻与分度表偏离的误差 4 自热误差 4 由于测量过程中电流流经热电阻时产生温升而引起的 附加误差 5 线路电阻变化带来的误差 引线电阻 5 采用三线制 6 其他误差 6 指除上述误差以外的 由屏蔽绝缘不良 插入深度不 够 热电阻劣化等所引起的误差 4 具体误差的分析及简单解决方案 自热误差 利用铂电阻测温时 必须对感温元件的电阻通入工作电流进行限制因为有 焦耳热的出现 会引起温度示值升高 产生测温误差自热效应可分为内自热效 应和外自热效应 1内自热效应 内自热效应与焦耳热成正比 与温度计和介质的热阻成反比 也与介质的热交换状态有关 通常内自热效应还与电阻温度计感温元件和保 护管外壁之间的温差有关 在给定的环境温度下 它与温度汁结构和工作电 流等因素相关 外自热效应 外自热效应是感温元件产生的焦耳热经过保护管外壁后与被测 介质温度差引起的 如果被测介质具有良好的传热特性 便能减小外自热效应 改进方法 具体而言 标准铂电阻温度计在检定时通过的电流不超过 1 这时自热效应的影响不超过 0 1 传热和辐射误差 当热电阻插入管道中时 传感器温度为 Tc 管道中的热量为 Q 温度为 Tg 假设管道中温度高于环境温度 则传感器以两种形式向周围散发热量 以辐射形式散发 只要传感器能够以直射方向到达管壁 它都能把热量 Q 辐散 发 沿传感器想管壁传导出去热量 Q 导 对传感器来说它一面接收 Q 而另一面散 发 Q 辐 Q 导 如果 Q 辐 Q 导 Q 则达到热平衡 但是两者之间不断散发 不断补充 智能 达到动平衡状态 即 Tc 总小于 Tg 而 Tg Tc 称为传热误差 稳定性 铂电阻温度计的稳定性是与化学 物理等因素有关 其中化学因素是铂丝被污 染后引起的 E g 1 温度计在装配前工艺过程不完善 铂丝和绝缘管 保护管内避的杂质未彻 底清除 使铂丝受到污染 E g 2 在高温下 杂质氧化后从固溶体中排出 会引起温度系数与热电特性发生 变化 物理因素是感温元件受机械振动后 几何尺寸发生微变 或经过高低温循环时 铂 丝与支撑件间热膨胀的差异使铂丝产生了应力 从而引起电阻特性发生变化 铂电阻温度计的稳定性是以规定的温度和时间内 电阻值变化程度转换成温度量 表示 5 具体的一些解决方案 1 通过改善 Pt100 接线方式对误差进行补偿 铂热电阻的使用 一般有三种接法 分别是二线制接法 三线制接法和四线 制接法 如图所示 不同的接法适应于不同的精度要不求 1 二线制接法 如上图 a 所示 这种接法不考虑 Pt100 电缆的导线电阻 将 A D 采样端 与电流源的正极输出端接在一起 这种接法由于没有考虑测 温电缆的电阻 因此只能适用于 测温距离较近的场合 2 三线制接法 如上图 b 所示 这种接法增加了用于 A D 采样的补偿线 三线制接法消 除了连接导线电阻引起的测量误差 这种接法适用于中等测 温距离的场合 3 四线制接法 如上图 c 所示 这种接法不仅增加了 A D 采样补偿线 还 加了一条 A D 对地的补偿线 这样可以近一步的减小测量误差 可以用于 测温距离较远的场合 如果只从精度上考虑 采用四线制接法效果最好 2 通过对采样信号进行滤波减小随机误差 由于外界干扰或某些不可预知的因素 模拟量在受到干扰后 经 A D 转换 后的结果偏离了真实值 可能会出现一些随机的误差 如果只采样一次 无法 确定结果是否可信 必须通过多次采样得到一个 A D 转换的数据序列 通过软 件算法处理后才能得到一个可信度较高的结果 这种方法就是数字滤波 滤波 器是一种能使有用频率信号通过而同时抑制 或大为衰减 无用频率信号的电 子装置 可分为模拟滤波器和数字滤波器 模拟滤波器是主要采用 R L C 等 无源器件组成的滤波电路或由运放和 R C 组成的有源滤波器 参考文献 1 Pradhan S senS An improved lead compensationtechnique forthree wire resistancetemperature detectors IEEETrans on Instrumentation andMea surement 2006 48 5 2 D