熱電阻測溫三線制接法及原理解析

熱電阻的測溫原理是基于導體或半導體的電阻值隨溫度變化而變化這一特性來測量溫度及與溫度有關(guān)的參數(shù)。熱電阻大都由純金屬材料制成，目前應用最多的是鉑和銅，現(xiàn)在已開始采用鎳、錳和銠等材料制造熱電阻。熱電阻通常需要把電阻信號通過引線傳遞到計算機控制裝置或者其它二次儀表上。

熱電阻是電阻值隨溫度變化的溫度檢測元件。它是利用物體（常見的是特定的金屬或半導體材料）的導電率隨溫度變化而變化的原理制成。它的阻值跟溫度的變化成正比，隨著溫度上升而成勻速增長。

使用熱電阻測溫的過程實際上是一個測量置于測量點上的熱電阻的阻值的過程。

電阻是基本電參數(shù)之一，其阻值R可按伏安特性定義，即R＝U／Ｉ，其中U為電阻兩端的電壓，I為流過電阻的電流或者按功率p來定義，即R＝p／（Ｉ＾２）。。

可見測量熱電阻必須在熱電阻兩端連接導線，而導線的阻值以及阻值隨溫度變化的特性以及引入的其它干擾，必然會影響測量結(jié)果。而要消除這種影響，就必須知道引線的狀況，在對熱電阻進行測量的同時，從引線的兩端對引線進行監(jiān)測。在兩根引線參數(shù)一致的前提下，要知道其中一根的狀況，至少需要增加一根導線，用來將測量引線中的一根的現(xiàn)場端連接到儀表端。這就是熱電阻的三線制連接的由來。

熱電阻測量儀表（溫度指示儀、溫度變送器等）比較常見的是采用電橋作為前置電路，在采用三線制的條件下，能夠有效的消除現(xiàn)場到控制室之間數(shù)十到數(shù)千米導線對的測量造成的影響。

為了說明其工作原理，下面從電橋平衡原理說起。

C端加上電壓Ue時，B、D端的電壓：

Uo=Ue&TImes;［R2／（R1+R2）］－Ue&TImes;［R3／（R3+R4）］

當電橋平衡，即Uo=0時，有：

Ue&TImes;［R2／（R1+R2）］＝Ue&TImes;［R3／（R3+R4）］

整理后有：

R1×R3＝R2×R４或R1／R2＝R4／R3

由這個公式可以看出電橋平衡時：

供電電壓Ue波動時，輸出電壓Uo不變；

橋路的四個橋臂電阻R1、R2、R3、R4按相同比例變化時，輸出電壓

Uo不變；

C端加上電壓Ue時，B、D端的電壓：

Uo=Ue×［R2／（R1+R2）］－Ue×［R3／（R3+R4）］

當電橋平衡，即Uo=0時，有：

Ue×［R2／（R1+R2）］＝Ue×［R3／（R3+R4）］

整理后有：

R1×R3＝R2×R４或R1／R2＝R4／R3

由這個公式可以看出電橋平衡時：

供電電壓Ue波動時，輸出電壓Uo不變；

橋路的四個橋臂電阻R1、R2、R3、R4按相同比例變化時，輸出電壓

Uo不變；

當Ra’、Rb’按相同比例發(fā)生變化時，對橋路輸出Uo沒有影響。Rc變化會影響橋路供電電壓，但對輸出Uo沒有影響。橋路輸出Uo僅和被測熱電阻R△有關(guān)。

在實際測量電路中，電橋并不一定設計成平衡狀態(tài)，熱電阻從那個橋臂接入也沒有一定之規(guī)，但采用三線制接法，利用電橋的平衡能力消除連接導線影響的基本原理是相通的。

以電橋作為熱電阻測溫儀表的前置電路，可以將熱電阻的阻值直接轉(zhuǎn)換成

相應的電壓，對后續(xù)電路沒有嚴格要求，同時可以有效克服接線電阻對測量的影響。通過對橋路參數(shù)的合理選擇，可以使儀表獲得良好的抗干擾能力，所以在熱電阻測溫儀表中廣泛采用。

其它三線制測量方法

近些年來，隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展，出現(xiàn)了一些無需采用前置電橋而測量熱電阻阻值的儀表，一些儀表廠商還開發(fā)出了具有完整溫度變送器功能的集成模塊。雖然這些測量儀表方式多

改變的，就是如果要消除接線電路對測量的影響，就至少需要知道其中一根導線所產(chǎn)生的影響。也就是說除非可以忽略連接導線對測量的影響，否則至少需要三根連線。

圖四是一個集成溫度變送器前置部分的原理示意：當恒流電流流經(jīng)線路電阻Ra、Rb和測溫電阻R△時將分別在這三個電阻上產(chǎn)生電壓。不難看出，當三個導線電阻一致時，恒流電流流經(jīng)R△所產(chǎn)生的電壓，等于V2－V1。很顯然當三個導線電阻發(fā)生等量變化時，這個關(guān)系依然成立。

三線制測量對導線的要求

從上面的原理分析可以看出，無論采用哪種方法，要消除導線Ra、Rb對于測量的影響，都有一個要求兩根導線的阻值以及在受環(huán)境影響發(fā)生的變化量都完全一致的要求。

同時對于導線Rc，雖然從理論上對測量不會發(fā)生影響，但那只是在理想狀態(tài)下的推導，實際工作中，仍然會對測量產(chǎn)生影響，而要消除這種影響，就必須對這根導線的狀態(tài)有所了解，最簡單的做法，就是讓這根線和其它兩根線保持一致。所以在采用三線制接線要求采用相同阻值和材質(zhì)的導線，最簡單的方法就是：采用同規(guī)格同材質(zhì)的導線，例如使用三芯電纜；同時避免或減少中間接頭，因為接頭的質(zhì)量有可能對測量產(chǎn)生影響。