鉑熱電阻的接線溫度失真分析

摘要:項目推廣中發現很多礦井主通風機的監測溫度經常出現不同程度的虛高現象，分析其原因是測溫線路的接線引起了較大的溫度誤差。文章對測溫線路進行了理論分析，并通過實驗得出導線電阻的大小對溫度影響的關系。
0引言
　　PT100(鉑熱電阻)溫度傳感器具有精度高、測溫范圍寬、使用方便等優點，在工業過程控制和測量系統中得到了廣泛的應用。
　　用鉑熱電阻測溫時，將鉑熱電阻接人二次儀表，例如巡檢儀溫度模塊等，通過二次儀表測量出鉑熱電阻的阻值,從而算出溫度。這些二次儀器常用的基本類型是采用橋式線路。目前一般采用的方法是三線制接法。可以說，鉑熱電阻測溫技術應該是非常成熟的。
　　但是，在項目《通風機在線監測系統》的推廣中發現，90%的礦井通風機的監測溫度是不準確的，如山西的上榆泉礦、山東的朝陽礦、運河礦、王莊礦等等，有的高出實際溫度十幾、二十攝氏度甚至更多。什么樣的原因造成這么大的誤差?經過分析實驗，發現了問題所在。
1鉑熱電阻測溫原理
　　先從鉑熱電阻測溫的原理來看。若已知電阻溫度關系，就可以用測量電阻的方法來推算出溫度，這就是電阻溫度傳感器的工作原理。
　　當測溫范圍不大，元件長度和截面積隨溫度改變引起.的阻值變化可以忽略時，熱電阻元件的阻值隨溫度變化可以認為是線性的，可用式(1)表示：
 
　　其中，t0表示參考溫度;Rt0表示參考溫度下鉑熱電阻.的阻值;α表示電阻元件的平均電阻溫度系數，即電阻元件的溫度相對于參考溫度每變化1℃，引起鉑熱電阻阻值相對于參考溫度下的增量。
　　對于PT100，在t=0℃時，Rt=100Ω;當t=t1時，Rt=Rt1,則有
 
　　通過測量t1溫度下PT100的阻值，就可以通過，上式的公式變形計算出此時測量端的溫度。即
 
　　鉑熱電阻測溫電路的原理如圖1所示，其中，Rt為鉑熱電阻，R1、R2為固定電阻，R3為可調電阻，A為檢流計。
 
　　電路工作時，不考慮導線的電阻值,R1、R2、R3、R,組成一個平衡電橋,改變R3電阻的阻值，直到電橋處于平衡狀態，在此情況下，檢流計的對角線無電流通過，電橋處于平衡位置。則有
 
　　使得R3的阻值等于鉑熱電阻的阻值。
　　這樣，就通過電橋的方法測量出t1溫度下鉑熱電阻的阻值，可以進一步算出此時的溫度
 
　　實際工程中，往往鉑熱電阻到接人端距離很大，會達到幾十米甚至幾百米，這時候導線的阻值就不能不考慮在內了。參照圖1,考慮導線電阻，則新的電橋平衡的公式為.
 
　　導線采用三芯屏蔽線，a、b、c三點到o點的長度相等導線電阻值也相等:[3.4]。即，
 
　　這樣兩根引線的電阻對稱地分別接人等式兩邊，因而導線電阻Rl的影響在很大程度上被排除掉了。所以正確的接線方式應是從鉑熱電阻接出三線，對應地接人巡檢儀或者溫度模塊。
　　但是現場安裝將鉑熱電阻接人巡檢儀或者模塊的時候，很多電工看到說明書上標注的接線圖，為了節約信號線，就從鉑熱電阻端兩線出，到巡檢儀再并出一根線，三線接人巡檢儀。雖然也是三線接人巡檢儀(如圖2所示)，但是對溫度有沒有影響呢?
　　要使電橋達到平衡，則b、d兩點的電位相同，可以得到電橋平衡式:
 
　　RL為導線電阻。可見，采用這種接法時，溫度誤差與導線的電阻成線性關系。
2實驗
　　實驗電纜使用RVVP型號的0.2mm2電纜。PT100用WZP-280L50型，測溫范圍為-200~420℃的鉑熱電阻。
　　由于PT100采集溫度有一個延時過程，使巡檢儀顯示溫度較溫度計讀出溫度滯后一定時間，那么如果用溫度計作標定的話就不合適了。所以采用宏格模塊采集的溫度作為標定溫度。通過做實驗，發現在多個穩定溫度下，即使是200m的線長，按照圖1的三線制接法連接的電路測得的溫度與水銀溫度計的誤差只有0.01~0.3℃左右，故以圖1所示的接法用宏格模塊采集到的溫度精度滿足工程要求，可以作為標定溫度。
　　實驗裝置如下:把兩個PT100分別用圖1和圖2所示的兩種方法用同樣長度的導線接入巡檢儀。標準溫度由宏格模塊采集:取第三個PT100用相同長度的導線按照圖1所示接法接人泓格I-7000遠程I/O模塊系列的I-7033(3通道RTD輸入)模塊，然后經過I-7520(RS485轉RS232)模塊轉換，輸人到計算機。三個PT100的探頭放在同一盛水的容器中，逐漸加溫，取不同溫度下的測量值。經過把實驗數據中圖2接法數值減去標定溫度作為絕對誤差，列出絕對誤差與線長在各個測點下的數值，結果見表1。
 
　　銅在室溫時電阻率ρ=1.75x10^-8Ω·m,利用公式R計算出各長度的導線電阻。當導線長度一定時，在各個測點溫度下，圖2接法測得的溫度與標準溫度總相差一個近似的常量，算出平均絕對誤差。把平均誤差和導線電阻在坐標內作出曲線，如圖3。
　　通過圖3曲線，可以看出，用圖2接法測得的溫度平均誤差與導線電阻呈近似線性關系，與理論分析的結果相吻合。
 
3結語
　　鉑熱電阻的使用雖然簡單，但切不可想當然的在終端把兩線并三線接人巡檢儀或者別的測量儀表，一定要從PT100傳感器三線接出，并三線接人終端儀表，否則必然存在溫度虛高。有的煤礦風機的溫度電纜已經固定，重新布線比較麻煩，也可以根據導線規格以及圖3中導線電阻與誤差的關系，測量出測點和二次儀表之間的線長，算出導線的電阻值，進而推算出溫度誤差，在二次儀表上作適當調節，抵消掉對應的溫度誤差。