Pt100热电阻两线制、三线制和四线制接线对测温精度的影响

[图文]Pt100热电阻两线制、三线制和四线制接线对测温精度的影响
1、Pt100热电阻的三种接线方式在原理上的不同：
二线制和三线制是用电桥法测量，最后给出的是温度值与模拟量输出值的关系。

四线没有电桥，完全只是用恒流源发送，电压计测量，最后给出测量电阻值。

2、Pt100热电阻的三种接线方式对测量精度的影响
连接导线的电阻和接触电阻会对Pt100铂电阻测温精度产生较大影响，铂电阻三线制或者四线制接线方式能有效
消除这种影响。

与热电阻连接的检测设备（温控仪、PLC输入等）都有四个接线端子：I+、I-、V+、V-。

其中，I+、I-端是为了
给热电阻提供恒定的电流，V+、V-是用来监测热电阻的电压变化，依次检测温度变化。

请参阅下图：
（1）四线制就是从热电阻两端引出4线，接线时电路回路和电压测量回路独立分开接线，测量精度高，需要导线多。

（2）三线制就是引出三线，Pt100B铂电阻接线时电流回路的参端和电压测量回路的参考为一条线（即检测设备的
I-
端子和V-端子短接）。

精度稍好。

（3）两线制就使引出两线，Pt100B铂电阻接线时接线时电流回路和电压测量回路合二为一（即检测设备的I-端子和
V-端子短接、I+端子和V+短接短接）。

测量精度差。

铂热电阻的接线造成温度失真现象的研究
[ 录入:tai-yan | 时间:2007-07-24 00:44:20 | 作者: | 来源:采集所得 | 浏览:158次 ]
摘要: 项目推广中发现很多矿井主通风机的监测温度经常出现不同程度的虚高现象, 分析其原因是测温线路的接线引起了较大的温度误差。

文章对测温线路进行了理论分析, 并通过实验得出导线电阻的大小对温度影响的关系。

0 引言
PT100(铂热电阻) 温度传感器具有精度高、测温范围宽、使用方便等优点, 在工业过程控制和测量系统中得到了广泛的应用。

用铂热电阻测温时, 将铂热电阻接入二次仪表, 例如巡检仪温度模块等, 通过二次仪表测量出铂热电阻的阻值,从而算出温度。

这些二次仪器常用的基本类型是采用桥式线路。

目前一般采用的方法是三线制接法。

可以说, 铂热电阻测温技术应该是非常成熟的。

但是, 我们在项目《通风机在线监测系统》的推广中发现, 90 %的矿井通风机的监测温度是不准确的, 如山西的上榆泉矿、山东的朝阳矿、运河矿、王庄矿等等, 有的高出实际温度十几、二十摄氏度甚至更多。

什么样的原因造成这么大的误差? 经过分析实验, 我们发现了问题所在。

1 铂热电阻测温原理
我们先从铂热电阻测温的原理来看。

若已知电阻-温度关系, 就可以用测量电阻的方法来推算出温度, 这就是电阻温度传感器的工作原理。

当测温范围不大, 元件长度和截面积随温度改变引起的阻值变化可以忽略时, 热电阻元件的阻值随温度变化可以认为是线性的, 可用式(1) 表示 :
Rt = Rt0 [1 +α( t - t0) ] (1)
其中, t0 表示参考温度; Rt0 表示参考温度下铂热电阻的阻值;α表示电阻元件的平均电阻温度系数, 即电阻元件的温度相对于参考温度每变化1 ℃, 引起铂热电阻阻值相对于参考温度下的增量。

对于PT100 , 在t = 0 ℃时, Rt = 100Ω; 当t = t1 时,Rt = Rt1 , 则有 Rt1 = 100 (1 +α×t1) (2)
通过测量t1 温度下PT100 的阻值, 就可以通过上式的公式变形计算出此时测量端的温度。

即
t1 =Rt1/100α-1/α (3)
铂热电阻测温电路的原理如图1 所示, 其中, Rt 为铂热电阻, R1 、R2 为固定电阻, R3 为可调电阻, A 为检流计。

电路工作时, 不考虑导线的电阻值, R1 、R2 、R3 、Rt 组成一个平衡电桥,改变R3 电阻的阻值, 直到电桥处于平衡状态,在此情况下, 检流计的对角线无电流通过, 电桥处于平衡位置。

则有
R1 ×Rt = R2 ×R3 (4)
令R1 = R2 则R3 = Rt使得R3 的阻值等于铂热电阻的阻值。

这样, 就通过电桥的方法测量出t1 温度下铂热电阻的阻值, 可以进一步算出此时的温度
t1 =R3/100α -1/α (5)
实际工程中, 往往铂热电阻到接入端距离很大, 会达到几十米甚至几百米, 这时候导线的阻值就不能不考虑在内了。

参照图1 , 考虑导线电阻, 则新的电桥平衡的公式为
R1 ( Rt + Rob) = R2 ( R3 + Roa) (6)
导线采用三芯屏蔽线, a、b、c 三点到o 点的长度相等, 导线电阻值也相等。

即
Rob = Roa = Roc
这样两根引线的电阻对称地分别接入等式两边, 因而导线电阻RL 的影响在很大程度上被排除掉了。

所以正确的接线方式应是从铂热电阻接出三线, 对应地接入巡检仪或者温度模块。

但是现场安装将铂热电阻接入巡检仪或者模块的时候,很多电工看到说明书上标注的接线图, 为了节约信号线,就从铂热电阻端两线出, 到巡检仪再并出一根线, 三线接入巡检仪。

虽然也是三线接入巡检仪(如图2 所示) , 但是对温度有没有影响呢?
要使电桥达到平衡, 则b、d 两点的电位相同, 可以得到电桥平衡式:
R1 ( Rt + Roc + Rob) = R2 R3 (7)
令R1 = R2 ,则R3 = Rt + Rob + Roc , Roa = Rob = Roc= RL 则
R3 = Rt + 2 RL (8)
带入(3) 式, 计算出温度
t1 =R3/100α-1/α=( Rt + 2 RL )/100α -1/α
和(6) 式比较, 得出温度的绝对误差为:
Δt =RL/50α
RL 为导线电阻。

可见, 采用这种接法时, 温度误差与导线的电阻成线性关系。

2 实验
实验电缆使用北京百正电缆有限公司生产的RVVP 型号的0.2mm2 电缆。

PT100 用常州武翔仪表厂生产的WZP-280L50 型, 测温范围为- 200～420 ℃的铂热电阻, 以及宏格科技生产的系列采集转换模块。

由于PT100 采集温度有一个延时过程, 使巡检仪显示温度较温度计读出温度滞后一定时间, 那么如果用温度计作标定的话就不合
适了。

所以本实验采用宏格模块采集的温度作为标定温度。

通过做实验, 发现在多个稳定温度下,即使是200m 的线长, 按照图1 的三线制接法连接的电路测得的温度与水银温度计的误差只有0.01～0.3 ℃左右, 故以图1 所示的接法用宏格模块采集到的温度精度满足工程要求, 可以作为标定温度。

实验装置如下: 把两个PT100 分别用图1 和图2 所示的两种方法用同样长度的导线接入巡检仪。

标准温度由宏格模块采集: 取第三个PT100 用相同长度的导线按照图1所示接法接入泓格I - 7000 远程I/ O 模块系列的I - 7033 (3通道RTD 输入) 模块, 然后经过I - 7520 (RS485 转RS232)
模块转换, 输入到计算机。

三个PT100 的探头放在同一盛水的容器中, 逐渐加温, 取不同温度下的测量值。

经过把实验数据中图2 接法数值减去标定温度作为绝对误差, 列出绝对误差与线长在各个测点下的数值, 结果见表1 。

铜在室温时电阻率ρ= 1175 ×10 - 8Ω·m , 利用公式R=ρ(L/S)t , 计算出各长度的导线电阻。

当导线长度一定时,在各个测点温度下, 图2 接法测得的温度与标准温度总相差一个近似的常量, 算出平均绝对误差。

把平均误差和导线电阻在坐标内作出曲线, 如图
3 。

通过图3 曲线, 可以看出, 用图2 接法测得的温度平均误差与导线电阻呈近似线性关系, 与理论分析的结果相吻合。

3 结语
铂热电阻的使用虽然简单, 但切不可想当然的在终端把两线并三线接入巡检仪或者别的测量仪表, 一定要从PT100 传感器三线接出, 并三线接入终端仪表, 否则必然存在温度虚高。

有的煤矿风机的温度电缆已经固定, 重新布线比较麻烦, 也可以根据导线规格以及图3 中导线电阻与误差的关系, 测量出测点和二次仪表之间的线长, 算出导线的电阻值, 进而推算出温度误差, 在二次仪表上作适当调节, 抵消掉对应的温度误差。

热电阻pt100的接线1、pt100热电阻的三种接线方式在原理上的不同：二线制和三线制是用电桥法测量，最后给出的是温度值与模拟量输出值的关系。

四线没有电桥，完全只是用恒流源发送，电压计测量，最后给出测量电阻值。

2、pt100热电阻的三种接线方式对测量精度的影响连接导线的电阻和接触电阻会对pt100铂电阻测温精度产生较大影响，铂电阻三线制或者四线制接线方式能有效消除这种影响。

与热电阻连接的检测设备（温控仪、PLC输入等）都有四个接线端子：I+、I-、V+、V-。

其中，I+、I-端是为了给热电阻提供恒定的电流，V+、V-是用来监测热电阻的电压变化，依次检测温度变化。

请参阅下图：（1）四线制就是从热电阻两端引出4线，接线时电路回路和电压测量回路独立分开接线，测量精度高，需要导线多。

（2）三线制就是引出三线，pt100B铂电阻接线时电流回路的参端和电压测量回路的参考为一条线（即检测设备的I- 端子和V-端子短接）。

精度稍好。

（3）两线制就使引出两线，pt100B铂电阻接线时接线时电流回路和电压测量回路合二为一（即检测设备的I-端子和V-端子短接、I+端子和V+短接短接）。

测量精度差。

详情请参考：
三线制热电阻与温度采集模块连接图如下图所示在采集模块中A、B两个端子是用来接收电压信号的，一般是毫伏级电压信号。

C端是一个电流输出端子，工作时由采集模块输出一个恒定的电流信号。

这样在热电阻C、B端会流过一个恒定的电流，当温度变化时，热电阻的阻值变化，这样，
A、B端的电压信号就随着温度的变化而线性变化。

达到测温的目的。

一般的温度表C端的输出电流是厂家设置的，只需要接线即可。

热电阻测温与抗干扰问题的处理
摘要:热电阻测温与抗干扰问题的处理
0 引言
水泥行业目前普遍采用DCS分布式集散型计算机控制系统，具有很强的适用性和较高的可靠性，通过软件编程即可实现工艺参数的监测与控制，使水泥生产过程实现自动化控制。

由于DCS系统硬件配置功能强大，对来自水泥生产现场一次检测仪表的诸如Pt100热电阻测温信号、K型热电偶测温mV信号、脉冲开关量及标准电压电流信号均能直接进行信号处理，但有一个不容忽视的问题，如果来自现场的工艺参数测量信号在传输过程中混进干扰信号，DCS系统自身将很难抑制，需要在外部采取有效的措施给以解决。

本文介绍Pt100热电阻测温信号异常引起故障的处理方法。

1 煤磨系统热电阻测温信号异常引起的故障处理
我厂煤磨系统布袋除尘器灰斗温度和煤磨轴瓦温度相继发生温度显示异常故障，其现象是在中控室CRT上温度显示呈无规律跳跃，在现场检查测温元件正常，在PC站中继端子使用DT－890C型数字万用表测得的电阻值与实际温度均呈对应关系。

我们采取了更换热电阻、检查测温信号传输电缆屏蔽接地、更换PC信号处理通道等措施，但都没有效果。

为了找到故障原因，我们又重新铺设了1根电缆，仍不能解决问题，经过对比测试、检查分析，得到的结论是在测温信号中混进了干扰信号，为此我们采取了如下处理方法。

1.1 改变信号接地方式
热电阻测温信号通常采用三线制接线方式，使用KYVRP4×1.5屏蔽电缆引至DCS现场站PC室CCF中继柜内，电缆屏蔽,在中继柜内接地。

解决的方法是将热电阻Pt100的B、b在中继柜端子处与电缆屏蔽接在一起，将干扰信号引入大地，以此方法消除干扰信号，即可使计算机温度显示恢复正常。

1.2 改变信号传送方式
可在现场或现场站PC室内通过加装Pt100热电阻温度变换器，将Pt100电阻信号转换为标准DC4～20mA信号，并相应改变计算机输入信号通道，这种方法也可消除信号传输过程中产生的干扰，使计算机显示的温度恢复正常，因为DC4～20mA信号的抗干扰能力非常强，温度变换器安装位置可依现场实际情况决定，但最好选择室内安装，这种方法的缺点是增加了设备投资，同时需要提供变换器电源。

2 水泥磨主电动机稀油站温度异常的处理
我厂水泥磨主电动机因大修处理而更换了1台新电动机，轴承采用稀油润滑，相应增加了1台稀油润滑站。

该油站设有4个温度测点，润滑油箱温度、加热油温、供油温度和回油温度。

这台稀油站安装调试完毕，测温系统、加热控制及油泵工作正常，投入使用。

水泥磨系统准备开车生产，当系统风机等设备开车后，油箱温度、供油温度、回油温度均发生温
度显示异常故障，而加热油温因环境温度低，加热器工作使油温高而未受影响。

故障现象是在中控室CRT显示器上温度显示在－30～＋30℃之间无规律跳动，现场使用DT－890C 型数字万用表测量上述热电阻阻值没有波动，更换计算机信号通道也未见好转。

由于在安装时就发现从测温元件到现场接线盒之间的传输导线使用的是普通导线，没有屏蔽，
故决定将从PC室到现场的连接电缆直接接到测温元件端子上，中控室CRT上温度显示正常。

2h后当磨机主电动机开启时，上述温度再次发生回零故障，且在0～＋30℃之间无规律跳动，因时间紧迫我们决定采取应急措施在PC室将连接电缆屏蔽与B、b端子连接在一起，以上各温度显示恢复正常，水泥磨正常开启。

主电动机润滑油站负责向主电动机前后轴承提供润滑油，如果润滑油温度测量出现异常则主电动机不能开车，否则主电动机轴承得不到有效保护，会引发重大事故，必须
排除故障后才能开启主电动机。

因时间紧迫，未能对此故障做定量分析，但可以肯定这是干扰信号所引起的故障。

3 生料磨选粉机立轴温度异常的处理
我厂生料磨选粉机立轴为德国洪堡公司产品，按立轴安装位置设计了上、中、下三点轴承温度检测。

在中控室操纵台CRT显示温度分别为RT50MA、RT50MB和RT50MC Sepa Bear Temp，在正常工况下，RT50MA检测温度在69℃左右，RT50MB检测温度在78℃左右，RT50MC检测温度在94℃左右。

按设备保护要求，设置轴承报警温度H1为125℃，停机保护温度H2为135℃，其中停机保护温度H2作为选粉机连锁停车条件之一。

自2000年5月以来，在生产工况和设备运行正常的情况下，突然发生RT50MA报警，有时出现H1报警，有时出现H2报警，但随即又恢复正常。

当发生H2报警时瞬间温度指示超过135℃，造成选粉机跳停，随即生料磨系统连锁停车。

通过检查热电阻及接线均未发现问题，采取将传输信号电缆屏蔽与RT50MA的B、b连接在一起的方法也未能消除此故障。

处理方法：采取加装温度变换器的方法，将电阻信号转换为DC4～20mA标准信号输入DCS系统相应的信号通道，解决了RT50MA温度检测异常故障。

温度变换器尽可能安装在外部环境较好的地方，我们将其装在DCS现场PC站CCF中继柜内。

以后RT50MB、RT50MC也相继发生同样故障，在检查热电阻及接线没有问题后，我们采用了同样的处理方法解决了故障。

8月我厂设备检修后开车时，选粉机润滑油温度RT－51突然发生H2报警,造成选粉机开车条件不满足而无法开车，我们立即着手检查未发现任何问题，随即该温度又恢复正常显示，查看温度趋势与RT50MA相似，我们立即采取上述方法给予解决，使生料磨系统顺利开车。

4 小结
在工矿企业中电磁兼容是一个突出而重要的问题，自动检测所涉及的基本上都是弱电信号，在信号传输过程中极易受到电磁干扰。

受工厂条件限制，不能对这些干扰进行
实时监测，给抗干扰工作的解决带来较大难度，但在有条件的情况下应使电缆走向和分布合理化，即强弱电缆分层敷设，必要时对弱电信号电缆加装屏蔽保护不失为一项重要
的抗干扰措施。

热电阻工作原理
热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。

它的主要特点是测量精度高，性能稳定。

其中铂热是阻的测量精确度是最高的，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪。

与热电偶的测温原理不同的是，热电阻是基于电阻的热效应进行温度测量的，即电阻体的阻值随温度的变化而变化的特性。

因此，只要测量出感温热电阻的阻值变化，就可以测量出温度。

目前主要有金属热电阻和半导体热敏电阻两类。

金属热电阻的电阻值和温度一般可以用以下的近似关系式表示，即
Rt=Rt0[1+α（t-t0）]
式中，Rt为温度t时的阻值；Rt0为温度t0（通常t0=0℃）时对应电阻值；α为温度系数。

半导体热敏电阻的阻值和温度关系为
Rt=AeB/t
式中Rt为温度为t时的阻值；A、B取决于半导体材料的结构的常数。

相比较而言，热敏电阻的温度系数更大，常温下的电阻值更高（通常在数千欧以上），但互换性较差，非线性严重，测温范围只有-50~300℃左右，大量用于家电和汽车用温度检测和控制。

金属热电阻一般适用于-200~500℃范围内的温度测量，其特点是测量准确、稳定性好、性能可靠，在程控制中的应用极其广泛。

热电阻材料
热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的。

热电阻大都由纯金属材料制成，目前应用最多的是铂和铜，此外，现在已开始采用镍、锰和铑等材料制造热电阻。

热电阻种类
（1）精密型热电阻：工业常用热电阻感温元件（电阻体）的结构及特点。

从热电阻的测温原理可知，被测温度的变化是直接通过热电阻阻值的变化来测量的，因此，热电阻体的引出线等各种导线电阻的变化会给温度测量带来影响。

为消除引线电阻的影响同般采用三线制或四线制。

（2）铠装热电阻：铠装热电阻是由感温元件（电阻体）、引线、绝缘材料、不锈钢套管组合而成的坚实体，它的外径一般为φ2~φ8mm，最小可达φmm。

与普通型热电阻相比，它有下列优点：
①体积小，内部无空气隙，热惯性上，测量滞后小；
②机械性能好、耐振，抗冲击；
③能弯曲，便于安装；
④使用寿命长。

（3）端面热电阻：端面热电阻感温元件由特殊处理的电阻丝材绕制，紧贴在温度计端面。

它与一般轴向热电阻相比，能更正确和快速地反映被测端面的实际温度，适用于测量轴瓦和其他机件的端面温度。

（4）隔爆型热电阻：隔爆型热电阻通过特殊结构的接线盒，把其外壳内部爆炸性混合气体因受到火花或电弧等影响而发生的爆炸局限在接线盒内，生产现场不会引超爆炸。

隔爆型热电阻可用于Bla~B3c级区内具有爆炸危险场所的温度测量。

工业上常用金属热电阻
从电阻随温度的变化来看，大部分金属导体都有这个性质，但并不是都能用作测温热电阻，作为热电阻的金属材料一般要求：尽可能大而且稳定的温度系数、电阻率要大（在同样灵敏度下减小传感器的尺寸）、在使用的温度范围内具有稳定的化学物理性能、材料的复制性好、电阻值随温度变化要有间值函数关系（最好呈线性关系）。

目前应用最广泛的热电阻材料是铂和铜：铂电阻精度高，适用于中性和氧化性介质，稳定性好，具有一定的非线性，温度越高电阻变化率越小；铜电阻在测温范围内电阻值和温度呈线性关系，温度线数大，适用于无腐蚀介质，超过150易被氧化。

中国最常用的有R0=10Ω、R0=100Ω和R0=1000Ω等几种，它们的分度号分别为Pt10、Pt100、Pt1000；铜电阻有R0=50Ω和R0=100Ω两种，它们的分度号为Cu50和Cu100。

其中Pt100和Cu50的应用最为广泛。

热电阻的信号连接方式
热电阻是把温度变化转换为电阻值变化的一次元件，通常需要把电阻信号通过引线传递到计算机控制装置或者其它一次仪表上。

工业用热电阻安装在生产现场，与控制室之间存在一定的距离，因此热电阻的引线对测量结果会有较大的影响。

目前热电阻的引线主要有三种方式
○1二线制：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
○2三线制：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，这种方式通常与电桥配套使用，可以较好的消除引线电阻的影响，是工业过程控制中的最常用的引线电阻。

○3四线制：在热电阻的根部两端各连接两根导线的方式称为四线制，其中两根引线为热电阻提供恒定电流I，把R转换成电压信号U，再通过另两根引线把U引至二次仪表。

可见这种引线方式可完全消除引线的电阻影响，主要用于高精度的温度检测。

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。

工业上一般都采用三线制接法。

热电偶产生的是毫伏信号，不存在这个问题。

热电阻测温系统的组成
（1）热电阻测温系统一般由热电阻、连接导线和显示仪表等组成。

必须注意以下两点：
①热电阻和显示仪表的分度号必须一致
②为了消除连接导线电阻变化的影响，必须采用三线制接法。

具体内容参见本篇第三章。

（2）铠装热电阻铠装热电阻是由感温元件（电阻体）、引线、绝缘材料、不锈钢套管组合而成的坚实体，它的外径一般为φ2~φ8mm，最小可达φmm。

与普通型热电阻相比，它有下列优点：
①体积小，内部无空气隙，热惯性上，测量滞后小；
②机械性能好、耐振，抗冲击；
③能弯曲，便于安装
④使用寿命长。

（3）端面热电阻端面热电阻感温元件由特殊处理的电阻丝材绕制，紧贴在温度计端面。

它与一般轴向热电阻相比，能更正确和快速地反映被测端面的实际温度，适用于测量轴瓦和其他机件的端面温度。

（4）隔爆型热电阻隔爆型热电阻通过特殊结构的接线盒，把其外壳内部爆炸性混合气体因受到火花或电弧等影电阻体的断路修理必然要改变电阻丝的长短而影响电阻值，为此更换新的电阻体为好，若采用焊接修理，焊后要校验合格后才能使用。

热电偶和热电阻的区别
热电偶与热电阻均属于温度测量中的接触式测温，尽管其作用相同都是测量物体的温度，但是他们的原理与特点却不尽相同.
首先，介绍一下热电偶，热电偶是温度测量中应用最广泛的温度器件，他的主要特点就是测吻范围宽，性能比较稳定，同时结构简单，动态响应好，更能够远传4-20mA电信号，便于自动控制和集中控制。

热电偶的测温原理是基于热电效应。

将两种不同的导体或半导体连接成闭合回路，当两个接点处的温度不同时，回路中将产生热电势，这种现象称为热电效应，又称为塞贝克效应。

闭合回路中产生的热电势有两种电势组成；温差电势和接触电势。

温差电势是指同一导体的两端因温度不同而产生的电势，不同的导体具有不同的电子密度，所以他们产生的电势也不相同，而接触电势顾名思义就是指两种不同的导体相接触时，因为他们的电子密度不同所以产生一定的电子扩散，当他们达到一定的平衡后所形成的电势，接触电势的大小取决于两种不同导体的材料性质以及他们接触点的温度。

目前国际上应用的热电偶具有一个标准规范，国际上规定热电偶分为八个不同的分度，分别为B，R，S，K，N，E，J和T，其。