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。當通過測量電壓計算RTD 溫度時，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適合對精度有嚴格要求，而速度和價格不太關鍵的應用領域。

應用范圍

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套組成，并用四芯屏蔽信號電纜線從敏感元件引出用于測量，通?？梢圆捎盟木€測量法測量，以減少導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，廣泛應用于氣象和環(huán)保等部門。

主要優(yōu)點

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

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，標準的電阻與溫度關系是以分度表的形式給出的，同時用電阻-溫度多項式函數(shù)R（t）表示。但在實際測量中，使用溫度-電阻函數(shù)T（r）更便于測量與計算。介紹了一種使用三次基本樣條曲線擬合，獲得溫度-電阻多項式函數(shù)T（r）的方法。實際使用表明，此方法的計算速度快，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，典型實驗數(shù)據(jù)為：在400℃時持續(xù)300小時，0℃時的溫度漂移為0.02℃。

鉑熱電阻溫度傳感器在防護設備里經(jīng)常用到。

處理措施

1、減少鉑熱電阻溫度傳感器保護管的輻射系數(shù)；

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

3、盡可能減少鉑電阻保護管的外徑；

4、增加鉑電阻的插入深度，使其受熱部分加長；

5、對響應時間要求不高的，可盡量采用熱傳導系數(shù)較小的材料做保護管；

6、對熱響應時間要求比較高的，則盡可能選用熱傳導系數(shù)大的保護管，依實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，還應注意感溫元件之間（雙支結構）和感溫元件與大地之間應各有良好的絕緣，不然會直接影響測量結果的準確性，甚至會影響到儀表的正常運行?？傊?，在應用鉑熱電阻溫度傳感器進行測溫時，首先必須正確選型，合理的安裝和使用，盡可能的設法消除各種外界影響，減少附加誤差，達到準確測量，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)自動化測量和各種實驗儀器儀表等領域。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，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行測量，在測量時可以消除內引線電阻的影響，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，另外兩根為信號線。電源和信號是分開工作的，該方法可以有效的去除線電阻。如果待測電阻的阻值與導線電阻相當甚至遠小于導線電阻時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增加成本以及整個測試系統(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的輸出電壓Vo來計算鉑電阻值，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：運算放大器線性放大系統(tǒng)（通常由增益電阻Rg設定）；VOUT：運算放大器輸出電壓值。

從（2）式中可以看出，用兩線制傳輸，會帶來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)生的誤差將達到3.05 Ω，即溫度測量誤差將達到7.6℃（系統(tǒng)中鉑電阻每變化1℃時的電阻變化約為0.398 Ω左右）。

可見，在測量系統(tǒng)與傳感器之間距離較遠時，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）

當電阻橋達到平衡，由式（3）可以看出，這時無論激勵源是電流型還是電源型，也無論激勵源的大小，V0均輸出為零。因此，如果R2/R3是一個固定系數(shù)K，則當R1=K×R4時，電橋將達到平衡，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，當橋臂上的電阻即使呈現(xiàn)非常微小的變化也會反映在輸出電壓的改變，通過監(jiān)測橋是否平衡可以實時監(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)行機構的反饋信號，實時監(jiān)測執(zhí)行偏差，不斷修正執(zhí)行指令。常用于力矩測量、電熱調節(jié)控制器領域。

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

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，電橋的4個橋臂上有1個發(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，則稱此電橋為非平衡電橋，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算放大器，這樣由偏置電流在線電阻上引起的壓降會降到小，這樣會限度的減小漏電流，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RT》R時，因橋臂的輸出電壓VOUT為負值，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應當大于被測電阻RT的上限電阻值，以PT1000為例，0℃時其電阻值為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的應當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，*測量需求且不會發(fā)生溢出現(xiàn)象。

在激勵電流源為典型值1 mA的條件下，此時VAB的變化范圍為153～575mV，AMP為TI公司的高精度運算放大器AD620，AD620采用差分放大器將橋臂輸出的電壓差轉換為單端電壓并進行放大，其差分放大器的失調電壓很小，消除失調意味著輸出端微小差分信號得到放大而失調電壓不被放大，其增益電阻選擇阻值為5 kΩ的高精度電阻，則運算放大器增益為k=10.88，則通過公式（4）計算可知，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)的引線通常達十余米，在設計時對引線的保護也非常重要，要避免出現(xiàn)斷開以及相互短路的現(xiàn)象發(fā)生，在某些特殊領域（例如航空工業(yè)、石油勘探），系統(tǒng)要求當出現(xiàn)類似的故障時測量系統(tǒng)應當能夠主動識別，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，當傳感器出現(xiàn)了開路故障，運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，運算放大器進入飽和狀態(tài)；而在傳感器正常工作條件下，運算放大器的輸出電壓VOUT均在正常放大區(qū)內。

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出現(xiàn)短路的情況，在使用不當，例如傳感器引線磨損導致線間短路，那么由式（4）可知。

此時VOUT輸出為運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，當傳感器出現(xiàn)了短路故障，運算放大器的輸出電壓VOUT=13.6 V，即在傳感器短路條件下，運算放大器進入飽和狀態(tài)；而在傳感器正常工作條件下，運算放大器的輸出電壓VOUT均在正常放大區(qū)內。

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、短路故障條件下運算放大器的輸出電壓值，可以得出在此兩種情況下，運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)均可以識別出傳感器故障，該系統(tǒng)具有實時告警功能，可以將傳感器實時故障情況告知系統(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受導線電阻和負載大小的影響；W2和W3是鉑電阻的2根測量信號線，因運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：運算放大器線性放大系統(tǒng)（通常由增益電阻Rg設定）；VOUT：運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。

可見，在測量系統(tǒng)與傳感器之間距離較遠時，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。