三线制热电阻工作原理解析及常见故障分析

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,即两种不同热点特性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势的物理现象。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；

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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E ，可变电阻RTD 的阻值t R R R =+∆，检流计的电压值为0U ，则计算如下：

022t

R R U E E R R r R =-+++

页脚内容3 122R E R r R R

=-++++∆ (22)22(22)

R R r R E R R r +∆+-=-+∆+ 1222(2)r R E R r R +∆=-

++∆ （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E ，可变电阻RTD 的阻值t R R R =+∆，检流计的电压值为0U ，则计算如下：

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0222t R R U E E R r R r R =-

++++ [(22)(22)](22)(22)

R R R r R r E R r R R r +∆+-+-++∆+ 242(4)2(2)R R E R R r R r R r •∆-

++∆++ 由于分母中2(2)r R r +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0122(4)

R U E R r R ∆=-++∆ （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0U 中分子多了导线的电阻2r ，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Rt流过已知电流I；另外两根引线将热电阻上的电压降Ut引到电位差计的测量端，电位差计测得该电压降，便可得到Rt（/

）。其接线图如图1-3所示。由于是在电位差计平衡时读数，

Rt Ut I

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。

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