三线制热电阻工作原理解析及常见故障分析

1、欧阳音创编欧阳音创编2021.03.112021.03.11三线制热电阻传感器的故障分析时间：2021.03. 11创作：欧阳音摘要：热电阻传感器是一种稳定性好、精度高、测 量范围大的温度传感器，因而被广泛应用。但是热 电阻传感器的连接导线电阻随温度的变化而变化， 对测量结果的影响不容忽视。为了消除导线电阻的 影响，热电阻测温常采用不平衡电桥式三线制接 法，从而使温度误差得到了补偿。关键词：热电阻、平衡电桥、三线制一、热电阻与热电偶的区别1热电阻和热电偶的工作原理热电偶工作原理是基于赛贝克效应，即两种不同热 点特性的导体两端连接成回路，如两连接端温度 不同，则在回路内产生热电势的物理现象。它由

2、 两根不同导线（热电极）组成，它们的一端是互 相焊接的，形成热电偶的测量端（也称工作 端）。将它插入待测温度的介质中；而热电偶的 另一端（参比端或自由端）则与显示仪表相连。欧阳音创编欧阳音创编2021.03.112021.03.11欧阳音创编欧阳音创编2021.03.112021.03.11如果热电偶的测量端与参比端存在温度差，则显 示仪表将指出热电偶产生的热电动势。热电阻是利用金属导体或半导体有温度变化时本 身电阻也随着发生变化的特性来测量温度的，热 电阻的受热部分（感温元件）是用细金属丝均匀 地绕在绝缘材料作成的骨架上或通过激光溅射工 艺在基片形成。当被测介质有温度梯度时，则所 测得的温度

3、是感温元件所在范围内介质层的平均 温度O2.如何选择热电偶和热电阻根据测温范围选择：500匕以上一般选择热电 偶，加匕以匚般选择热电阻；根据测量精度选择：对精度要求较高选择热电 阻，对精度要求不高选择热电偶；根据测量范围选择：热电偶所测量的一般指 “点“温，热电阻所测量的一般指空间平均温 度。二. 热电阻的二线制原理和三线制原理的区别1热电阻的二线制原理欧阳音创编欧阳音创编2021.03.112021.03.11欧阳音创编欧阳音创编2021.03.112021.03.11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

4、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。1-1热电阻二线制接法如图所示，假设现场的可变电阻RTD接 在电桥的一个桥臂上，另外三个桥臂上均接了电阻 R,这样在检流计中流过的电流就会随着热电阻阻 值的变化而变化。设电源电压为E,可变电阻RTD 的阻值R产R7R,检流计的电压值为匕，则计算如 下：1 2r + A7? 厂=E2 2R + (2r + AR) (1 )2.热电阻的三线制原理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，通常热电阻采用三 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

5、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)也成为桥臂电阻的欧阳音创编欧阳音创编2021.03.112021.03.11欧阳音创编欧阳音创编2021.03.112021.03.11一部分，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。1-2热电阻的三线制接法同上我们设电源电压为E,可变电阻RTD的阻值 检流计的电压值为则计算如下： 由于分母中2心+ 2门相对于整个电路来说很小，可 以忽略不计，因此三线制接法中的检流计电

6、压 U =-兰E2 2R + + M) (2)对比(1)式和(2)式，我们不难发现在计算得到 的二线制接法的S中分子多了导线的电阻，因此 在实际测量热电阻的温度时就会将导线的电阻计算 在内，故而对实际的结果造成误差。所以在实际应 用中，三线制热电阻比二线制更加精准，应用也更 加广泛。三. 实际应用中三线制热电阻的故障分析(1) 当DCS画面上显示的热电阻温度波动较为剧 烈时，一般情况下均是接触不良所造成的。这是因欧阳音创编欧阳音创编2021.03.112021.03.11欧阳音创编欧阳音创编2021.03.112021.03.11为温度是一种变化比较缓慢的量，属于惯性环节。 特别是热容较大的被

7、测对象。(如检测粉仓温度的 时候，温度基本上都不会发生剧烈的波动。)这种 情况下，我们应该到现场检查热电阻各接线端子处 的端子接线是否有松动现象或连接导线有无似断似 连的现象。(2) 若DCS画面上显示的热电阻温度为零，但是 在现场用万用表测A、C或者B、C间的电阻值时， 发现阻值与实际相符。这时我们先到工程师站调出 这个点的点详细，找出热电阻连接的模块的位置， 然后看看该模块的接线情况，如果一切正常，那就 是电缆的问题了。(3) 如果DCS画面显示的温度比实际的高，则可 能由于接线端子接触不良或接线松脱、这段造成电 阻增大所至。这时候应对电阻杆接线盒内的接线柱 和各个中间端子箱的对应端子进行

8、检查并紧固。另 外也有可能由于端子与导线间有氧化层使得电阻增 大所引起，这种情况可使用砂纸或其他工具将氧化 层去除即可。当温度值显示为无穷大时，一般情况 下故障原因是由于线路开路引起。欧阳音创编欧阳音创编2021.03.112021.03.11欧阳音创编欧阳音创编2021.03.112021.03.11(4) 如果DCS画面显示的温度比实际的要低，则 线路中可能有短路现象或者是三线制的C线电阻增 大所引起。四、提高热电阻测温精度的方法1v热电阻的四线制接法在热电阻体的电阻丝两端各连入两根引出线，与电 位差计相连接，其中两根引线与恒流源相连，让热 电阻用流过已知电流心 另外两根引线将热电阻上 的

9、电压降“引到电位差计的测量端，电位差计测得 该电压降，便可得到用(用=/)。其接线图如 图1-3所示。由于是在电位差计平衡时读数，电位 差计不取电流，因此两根测量引线没有电流流过， 从而完全消除了引线电阻变化对测温的影响。四线 制接法适用于精密测温用的热电阻，通常在实验室 测温和计量标准工作中使用。图1-3热电阻的四线制接法2.恒压分压式三线制测量电路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。提出基欧阳音创编欧阳音创编2021.03.112021.03.11欧阳音创编欧阳音创编2021.03.112021.03

10、.11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。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1-4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A/D转换器的参考电压，3为电 压放大倍数。图1-4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：/岭一匕（匕一）（3）由式（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的精度和VK V2的测 量精度。在电桥法中无法消除的导线电阻在恒压分

11、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欧阳音创编欧阳音创编2021.03.112021.03.11欧阳音创编欧阳音创编2021.03.112021.03.11起的升温误差。(2)提高测量精度的措施与三线制平衡电桥法相似，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A / D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卩和RV会因元器件 个体而异，特别是在批量生

12、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B和RV带来的误差。为了消除P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 B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 公式进行计算，从而得到精确的测量温度。如果把 图2中长导线用尽可能短的导线代替(即r=0),并 以精密电阻R代替热电阻Rt, VAD是A/D转换器 的参考电压，卩为电压放大倍数，其余部分保持不 变，则有：欧阳音创编欧阳音创编2021.03.112021.03.11欧阳音创编欧阳音创编2021.03.112021.03.11(

13、4)对于一个具体输入电路，如果取2个阻值已知的精 密电阻RK 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，可从方程 组解出B和RV,其结果如下：Rv=r DR2-D2R - 1(z?_z R2D2 R2D ! j x DVAPp DR2-D2R kVR(5)上述标定方法可以总结为：2个阻值已知的精密 标准电阻RK 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,代入式即可计算出所标定仪表的未知参数 3和RVo在使用中，建议将VR与VAD使用同一个 基准源，这样式(5)中卩的计算

14、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。3.测量电路试验分析欧阳音创编欧阳音创编2021.03.112021.03.11欧阳音创编欧阳音创编2021.03.112021.03.11对比三线制平衡电桥法，该电路检测结果得到了大 大提高，表1是2种不同方法的测量标准电阻值的 对比。其中r为线路电阻。具体的测量结果如表1 所示。表1热电阻阻值的测量结果从表1中可以看出，由于三线制平衡电桥法理论测 量结果即存在较大误差，且随线路电阻r的增加， 引起的误差越大，随待测热电阻阻值增大，绝对误 差也呈增大的均势。表1中，最大相对误差为被测 电阻

15、Rt二300 O,线路电阻r二20 Q时，达到了 2. 57%。本文采用改进后的三线制法的实测结果 在所测数据范围内最大绝对误差只有0. 3 0，最 大相对误差为土0. 1%o电路使用的A/D转换器 仅相当于14位的A/D转换精度，若使用更高精度 的A/D转换器，可达到更高的测量精度。在实际 的热电阻传感器测温仪表中，还需加入由被测电阻 转换为对应温度的相关程序。五. 结论本文通过对三线制与二线制热电阻测量原理和电路 的分析，阐述了三线制热电阻在测量温度时优于二欧阳音创编欧阳音创编2021.03.112021.03.11欧阳音创编欧阳音创编2021.03.112021.03.11线制的原因，即三线制能减小导线电阻对测量结果 的影响。同时还提出了进一步消除导线电阻的两种 方法：四线制和恒压分压式三线制，但是实际应用 中，三线制热电阻的运用范围还是很广泛的。其 次，结合三线制热电阻的理论分析和现场的情况， 我们还分析了现场热电阻测温度时所遇到的一些故 障以及解决方法，从而让我们更好的认识了热电阻 这个看似简