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鉑熱電阻溫度傳感器

根據(jù)溫度不同電阻不同。將鉑電阻接入電路中，通過觀察電流的變化就可以知道電阻的變化。在把不同溫度下的電流都記錄下來，繪出溫度-電阻圖，就可以在知道電阻的情況下，推測出溫度的數(shù)值。

工作原理

與熱敏電阻相似，鉑熱電阻溫度傳感器（RTD）也是用鉑制成的熱敏感電阻。當(dāng)通過測量電壓計(jì)算RTD 溫度時(shí)，數(shù)字萬用表用已知電流源測量該電流源所產(chǎn)生的電壓。這一電壓為兩條引線（Vlead）上的壓降加RTD上的電壓（Vtemp）。例如，常用RTD 的電阻為100Ω，每1℃僅產(chǎn)生0.385Ω的電阻變化。如果每條引線有10Ω電阻，就將造成26℃的測量誤差，這是不可接受的。所以應(yīng)對RTD作4線歐姆測量。

RTD是精que和穩(wěn)定的溫度傳感器，它的線性度優(yōu)于熱偶和熱敏電阻。但RTD也是慢和貴的溫度傳感器。因此RTD適合對精度有嚴(yán)格要求，而速度和價(jià)格不太關(guān)鍵的應(yīng)用領(lǐng)域。

應(yīng)用范圍

鉑熱電阻溫度傳感器是用來測量空氣、土壤和水的溫度傳感器。該傳感器由精密級鉑熱電阻元件和經(jīng)特殊工藝處理的防護(hù)套組成，并用四芯屏蔽信號(hào)電纜線從敏感元件引出用于測量，通常可以采用四線測量法測量，以減少導(dǎo)線電阻引起的測量誤差。鉑熱電阻溫度傳感器具有的可互換性和長期穩(wěn)定性，廣泛應(yīng)用于氣象和環(huán)保等部門。

主要優(yōu)點(diǎn)

廣泛的溫度測量范圍：由于鉑的特性穩(wěn)定，不會(huì)因高低溫而引起物理或化學(xué)變化。

鉑熱電阻溫度傳感器是利用其電阻與溫度成一定函數(shù)關(guān)系而制成的溫度傳感器。由于鉑電阻的特性曲線是非線性的，標(biāo)準(zhǔn)的電阻與溫度關(guān)系是以分度表的形式給出的，同時(shí)用電阻-溫度多項(xiàng)式函數(shù)R（t）表示。但在實(shí)際測量中，使用溫度-電阻函數(shù)T（r）更便于測量與計(jì)算。介紹了一種使用三次基本樣條曲線擬合，獲得溫度-電阻多項(xiàng)式函數(shù)T（r）的方法。實(shí)際使用表明，此方法的計(jì)算速度快，產(chǎn)生的誤差較小，可以很好地提高溫度測控系統(tǒng)的運(yùn)行速度和控制精度。

鉑電阻傳感器有良好的長期穩(wěn)定性，典型實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為：在400℃時(shí)持續(xù)300小時(shí)，0℃時(shí)的溫度漂移為0.02℃。

鉑熱電阻溫度傳感器在防護(hù)設(shè)備里經(jīng)常用到。

處理措施

1、減少鉑熱電阻溫度傳感器保護(hù)管的輻射系數(shù)；

2、增加被測介質(zhì)的循環(huán)，在工作壓力許可的情況下，盡量使鉑電阻與被測介質(zhì)間的對流傳熱增加；

3、盡可能減少鉑電阻保護(hù)管的外徑；

4、增加鉑電阻的插入深度，使其受熱部分加長；

5、對響應(yīng)時(shí)間要求不高的，可盡量采用熱傳導(dǎo)系數(shù)較小的材料做保護(hù)管；

6、對熱響應(yīng)時(shí)間要求比較高的，則盡可能選用熱傳導(dǎo)系數(shù)大的保護(hù)管，依實(shí)際使用情況加以取舍。

除上述外，在使用鉑熱電阻溫度傳感器時(shí)，還應(yīng)注意感溫元件之間（雙支結(jié)構(gòu)）和感溫元件與大地之間應(yīng)各有良好的絕緣，不然會(huì)直接影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，甚至?xí)绊懙絻x表的正常運(yùn)行?？傊?，在應(yīng)用鉑熱電阻溫度傳感器進(jìn)行測溫時(shí)，首先必須正確選型，合理的安裝和使用，盡可能的設(shè)法消除各種外界影響，減少附加誤差，達(dá)到準(zhǔn)確測量，簡便耐用的目的。

鉑熱電阻溫度傳感器是如何測溫的

鉑熱電阻溫度傳感器作為一種高精度溫度傳感器廣泛用于氣象、汽車、航空、工業(yè)自動(dòng)化測量和各種實(shí)驗(yàn)儀器儀表等領(lǐng)域。鉑熱電阻溫度傳感器的測溫原理是金屬鉑（PT）電阻值隨在環(huán)境溫度變化而變化，且其電阻值和溫度值之問有確定的函數(shù)關(guān)系，常見的類型是Pt100和Pt1000。

1 鉑熱電阻溫度傳感器的三種引線方式

根據(jù)測溫傳感器引線方式的不同，鉑電阻分為二線制、三線制和四線制三種，三種引線方式各有特點(diǎn)，二線制引線方式具有引線簡單，但存在的問題是測量誤差較大，在測量中不可避免的引入線電阻誤差，僅適合于測量精度要求不高的場合。

三線制引線方式采用一端引線為兩根線，另一端引線為一根的方式，工業(yè)上一般都采用三線制接法，三線引線方式引出的3根導(dǎo)線截面積和長度均相同，通常三線制電阻采用不平衡電橋法進(jìn)行測量，在測量時(shí)可以消除內(nèi)引線電阻的影響，測量精度高于兩線制。

四線制引線方式中有兩根線為供電電源線，另外兩根為信號(hào)線。電源和信號(hào)是分開工作的，該方法可以有效的去除線電阻。如果待測電阻的阻值與導(dǎo)線電阻相當(dāng)甚至遠(yuǎn)小于導(dǎo)線電阻時(shí)就只能采用四線制的測量方法。該方法測量精度較高，但該方法需要傳感器產(chǎn)生4根引線，在長距離傳輸過程中會(huì)增加成本以及整個(gè)測試系統(tǒng)的重量，不能滿足某些特殊行業(yè)要求，主要用于高精度的溫度檢測。

2 兩線制鉑電阻測量電路

在鉑熱電阻溫度傳感器測量系統(tǒng)中，通常惠斯特電橋不平衡時(shí)的輸出電壓Vo來計(jì)算鉑電阻值，本系統(tǒng)中兩線制鉑電阻的采集電路如圖1所示。

I為恒壓源，R為限流電阻，被測電阻為Rt，線電阻為r，測試電路如圖1所示。按照歐姆定律計(jì)算可知：

上式中，RT：被測鉑電阻傳感器電阻值；r：傳感器引線電阻值；k：運(yùn)算放大器線性放大系統(tǒng)（通常由增益電阻Rg設(shè)定）；VOUT：運(yùn)算放大器輸出電壓值。

從（2）式中可以看出，用兩線制傳輸，會(huì)帶來2r的測量誤差。測量系統(tǒng)中用的傳輸線每米電阻約為0.061 Ω，2r為0.122 Ω。假設(shè)系統(tǒng)中測量電阻與測量電路的引線有50 m長，則引線電阻產(chǎn)生的誤差將達(dá)到3.05 Ω，即溫度測量誤差將達(dá)到7.6℃（系統(tǒng)中鉑電阻每變化1℃時(shí)的電阻變化約為0.398 Ω左右）。

可見，在測量系統(tǒng)與傳感器之間距離較遠(yuǎn)時(shí)，則線電阻r對鉑電阻采集精度的影響非常大，因此兩線制鉑電阻僅適合于引線距離比較近，測量精度要求一般的場合。

3 三線制電阻測量電路

3.1 惠斯通電橋（Wheatstone Bridge）

當(dāng)電阻橋達(dá)到平衡，由式（3）可以看出，這時(shí)無論激勵(lì)源是電流型還是電源型，也無論激勵(lì)源的大小，V0均輸出為零。因此，如果R2/R3是一個(gè)固定系數(shù)K，則當(dāng)R1=K×R4時(shí)，電橋?qū)⑦_(dá)到平衡，即有：Vo=0。

這種平衡值測量方法通常用在反饋控制系統(tǒng)中，當(dāng)橋臂上的電阻即使呈現(xiàn)非常微小的變化也會(huì)反映在輸出電壓的改變，通過監(jiān)測橋是否平衡可以實(shí)時(shí)監(jiān)測傳感器監(jiān)測對象（力、溫度等）的變化情況。將電橋的輸出電壓VO做為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的反饋信號(hào)，實(shí)時(shí)監(jiān)測執(zhí)行偏差，不斷修正執(zhí)行指令。常用于力矩測量、電熱調(diào)節(jié)控制器領(lǐng)域。

通常情況下，我們認(rèn)為激勵(lì)源VR是一個(gè)固定值，由式（1）可以看出，橋輸出電壓VO的大小與激勵(lì)電源VR呈線性比例關(guān)系，因此該測量系統(tǒng)的精度永遠(yuǎn)不可能比激勵(lì)電源的精度高。

3.2 三線制引線非平衡電橋測量電路

由惠斯特電橋理論可知，若電橋工作時(shí)，電橋的4個(gè)橋臂上有1個(gè)發(fā)生了變化，即R1變?yōu)镽‘=R1 △r，那么惠斯特電橋的平衡就會(huì)被打破，即圖2中，則A、B間存在一定的電勢差UL，則稱此電橋?yàn)榉瞧胶怆姌?，即有VO=UL≠0。

利用非平衡電橋原理。將各種電阻型傳感器RT接入電橋回路，橋路的非平衡電壓就能反映出橋臂電阻的微小變化，因此，就可以檢測出外界物理量的變化（溫度、壓力等），R是測量系統(tǒng)選定的精密橋臂電阻，RT為被測電阻。

兩條輸入端接入高輸入阻抗的運(yùn)算放大器，這樣由偏置電流在線電阻上引起的壓降會(huì)降到小，這樣會(huì)限度的減小漏電流，按照基爾霍夫電流電壓定律可知：

由公式（4）可以看出在此測量系統(tǒng)中，當(dāng)RT》R時(shí)，因橋臂的輸出電壓VOUT為負(fù)值，因此為保證VOUT一直輸出為正，則該測量系統(tǒng)橋臂電阻值R應(yīng)當(dāng)大于被測電阻RT的上限電阻值，以PT1000為例，0℃時(shí)其電阻值為1 000 Ω，其電阻有效變化范圍為803 Ω～2 120 Ω（即溫度變化范圍為-50℃～300℃），則橋臂電阻R的應(yīng)當(dāng)選取大于其鉑電阻值的變化上限（2120 Ω），在本例中，橋臂電阻R選取2 700 Ω，*測量需求且不會(huì)發(fā)生溢出現(xiàn)象。

在激勵(lì)電流源為典型值1 mA的條件下，此時(shí)VAB的變化范圍為153～575mV，AMP為TI公司的高精度運(yùn)算放大器AD620，AD620采用差分放大器將橋臂輸出的電壓差轉(zhuǎn)換為單端電壓并進(jìn)行放大，其差分放大器的失調(diào)電壓很小，消除失調(diào)意味著輸出端微小差分信號(hào)得到放大而失調(diào)電壓不被放大，其增益電阻選擇阻值為5 kΩ的高精度電阻，則運(yùn)算放大器增益為k=10.88，則通過公式（4）計(jì)算可知，VOUT有效輸出電壓范圍為1.667～6.259 V。

3.2.1 傳感器異常情況下采集結(jié)果

在鉑電阻測溫系統(tǒng)中，鉑電阻傳感器的工作環(huán)境通常比較惡劣，從傳感器引線端到測量系統(tǒng)的引線通常達(dá)十余米，在設(shè)計(jì)時(shí)對引線的保護(hù)也非常重要，要避免出現(xiàn)斷開以及相互短路的現(xiàn)象發(fā)生，在某些特殊領(lǐng)域（例如航空工業(yè)、石油勘探），系統(tǒng)要求當(dāng)出現(xiàn)類似的故障時(shí)測量系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)能夠主動(dòng)識(shí)別，要求系統(tǒng)具有告警能力。

3.2.1.1 在傳感器開路情況

傳感器開路，對于測試系統(tǒng)可以分為以下幾種情況來分析。

由上表1可知，當(dāng)傳感器出現(xiàn)了開路故障，運(yùn)算放大器的輸出電壓VOUT=13.6 V或VOUT=-12.7 V，即在傳感器開路條件下，運(yùn)算放大器進(jìn)入飽和狀態(tài)；而在傳感器正常工作條件下，運(yùn)算放大器的輸出電壓VOUT均在正常放大區(qū)內(nèi)。

3.2.1.2 在傳感器短路情況

通常情況下鉑電阻傳感器不會(huì)出現(xiàn)短路的情況，在使用不當(dāng)，例如傳感器引線磨損導(dǎo)致線間短路，那么由式（4）可知。

此時(shí)VOUT輸出為運(yùn)算放大器正的飽和值（13.6V）。

因Wire1、2本身就是從一端引出，故Wire1、2不存在短路故障狀態(tài)。由上表2可知，當(dāng)傳感器出現(xiàn)了短路故障，運(yùn)算放大器的輸出電壓VOUT=13.6 V，即在傳感器短路條件下，運(yùn)算放大器進(jìn)入飽和狀態(tài)；而在傳感器正常工作條件下，運(yùn)算放大器的輸出電壓VOUT均在正常放大區(qū)內(nèi)。

3.2.1.3 在傳感器異常情況告警功能

通過分析了傳感器在開路、短路故障條件下運(yùn)算放大器的輸出電壓值，可以得出在此兩種情況下，運(yùn)算放大器的輸出為其飽和值，即開路、短路狀態(tài)與正常采集狀態(tài)沒有數(shù)據(jù)重疊區(qū)，系統(tǒng)就可據(jù)此監(jiān)控傳感器是否正常工作。則本測量系統(tǒng)均可以識(shí)別出傳感器故障，該系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)告警功能，可以將傳感器實(shí)時(shí)故障情況告知系統(tǒng)。

4 四線制引線測量電路

其中，Wire1和wire4是鉑電阻的恒流源回路，恒流源提供的電流不會(huì)受導(dǎo)線電阻和負(fù)載大小的影響；W2和W3是鉑電阻的2根測量信號(hào)線，因運(yùn)算放大器的輸入阻抗很大（10 GΩ），則引線電阻的分壓可以忽略，因此，測量到的就是實(shí)際被測電阻值。因此，四線制接法能夠限度地降低測量噪聲，提高測量精度。

I為恒壓源，R為限流電阻，被測電阻為Ri，線電阻為r，測試電路如圖4所示。按照歐姆定律計(jì)算可知：

VOUT=k*I*RT （7）

上式中，RT：被測鉑電阻傳感器電阻值；k：運(yùn)算放大器線性放大系統(tǒng)（通常由增益電阻Rg設(shè)定）；VOUT：運(yùn)算放大器輸出電壓值。

從（8）式中可以看出，用四線制引線方式進(jìn)行采集，VOUT的輸出電壓與系統(tǒng)限流電阻R及引線電阻r的大小均無關(guān)。

可見，在測量系統(tǒng)與傳感器之間距離較遠(yuǎn)時(shí)，則線電阻r對鉑電阻采集精度的影響非常大，因此兩線制鉑電阻僅適合于引線距離比較近，測量精度要求一般的場合。