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三线制热电阻传感器的故障分析
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,即两种不同成分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流的物理现象。它由两根不同导线（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。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，则所测得的温度是感温元件所在范围内介质层的平均温度。
2. 如何选择热电偶和热电阻
根据测温范围选择：500℃以上一般选择热电偶，500℃以下一般选择热电阻；
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
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。

图1-1 热电阻二线制接法

如图1-1 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，可变电阻RTD的阻值，检流计的电压值为，则计算如下：

（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。

图1-2 热电阻的三线制接法

同上我们设电源电压为，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压 （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。
（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
1、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，让热电阻流过已知电流；另外两根引线将热电阻上的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（）。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。
(1) 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是转换器的参考电压，β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：
（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。
（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β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β和RV带来的误差。
为了消除β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β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，β为电压放大倍数，其余部分保持不变，则有：
（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，可从方程组解出β和RV，其结果如下：
(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β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β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。

3. 测量电路试验分析
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Rt=300 Ω，线路电阻r=20 Ω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 Ω，最大相对误差为±0．1％。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单的测温器件。

六．参考文献
1 黄芳 徐闽燕. 热电阻温度测量电路的研究. 中国科技信息 2008 第16期
2 赵振华 周伟. 基于分压式原理测量热电阻阻值的方法. 电子测量技术 2008 第8期
3 赵岚 齐德荣. 热电阻测温电路非线性补偿. 传感器技术 2002 第5期
4 徐英 王超. 热电阻测温电路设计. 工业仪表与自动化装置 2000 第4期
5 衣承斌 龚艺. 关于Pt100型铂热电阻温度变送器的研究. 自动化仪表 1998 第9期