2,3,4线RTD PT100温度传感器多种连接方法

文章出处：yaxun88 人气：发表时间：2019-11-27 14:40

温度是工作控制中非常重要的物理量。用于温度测量的传感器主要包括热阻，热敏电阻，热电偶，半导体温度传感器等。这些传感器具有各自的特性和应用领域，因此设计人员必须根据其特定应用选择合适的传感器。

2，3，4线制PT100温度传感器

热电阻（RTD）是一种高精度的温度传感器，它使用细线缠绕在支架上，并且电阻值随温度而变化。工作温度范围为-200°C至+ 850°C。常见的RTD材料为镍，铜，铂等，其中最常见的是100欧姆（0°C）的铂热阻。由于铂金属的非常稳定的物理和化学性质，铂电阻由于其高精度，长期稳定性，良好的重复性和快速响应而被广泛使用。
下式描述了Pt100的温度特性。从该公式可以看出，Pt100的温度和电阻特性显然是非线性的。但是，与热电偶和热敏电阻相比，Pt100的线性度要好得多，因此非线性校正更容易。早期的非线性校正主要由复杂的模拟电路实现。随着电子技术的发展，在实际应用中，单片机通常用于表格校验和内插，以对Pt100进行非线性校正。

由于热敏电阻是一种无源器件，因此在使用过程中需要外部激励才能工作。在使用过程中，有必要在使用过程中注意励磁电流的大小。电流过大会导致Pt100自身发热，从而导致测量误差。因此，在设计过程中必须根据测量要求精心设计信号调理电路，以确保由传感器的自发热引起的误差在可接受的范围内。

一，为什么要使用三线制和四线制
因为Pt100的温度系数仅为0.385Ω/°C。如果传感器和控制器之间的距离较长，并且需要较长的引线，则由于引线电阻引起的测量误差可能会很严重。例如，假设Pt100通过100英尺（30米）的铜导线连接到控制器。 30号铜线的电阻为0.105Ω/ ft。如果使用常规的两引线连接方法，如下图所示，则在引线上产生的总电阻为21Ω，这相当于55％的测量误差！

为了解决这个问题，Pt100除了采用两线连接方法外，还具有三线和四线连接方法，以减少甚至消除由引线电阻引起的测量误差。

如上所述，Pt100是电阻式温度传感器，其温度测量的性质实际上是在测量传感器的电阻。通常，将电阻转换为电压或电流信号以进行测量，并且通过单片机将测量结果线性化。通用Pt100有两种温度测量选项：
1.恒定电流源旨在通过测量Pt100到Pt100热阻的电压来计算温度。
2.对于惠斯通电桥，该桥的四个电阻中的三个电阻是恒定的，另一个则使用Pt100热电阻。当Pt100的电阻值发生变化时，测试端将产生电热差，因此，将电热差用于计算温度。
还有一类称为“比例法”的测量方法，可以看作是对第一类测量方法的改进，稍后将对此进行详细说明。

下图显示了两线制恒流源励磁的连接方法。恒流源通过Pt100输出，并且测量Pt100两端的电压以将其转换为温度。如前所述，当Pt100引线较长时，此连接会导致较大的错误。因此，更实用的是三线制和四线制。
两线制恒流激励源接线方法

四线式接线方法（开尔文接线法）如下所示。 Pt100的激励和测量端分别通过两组不同的导线取出。由于电压测量点位于Pt100的引线连接处，因此引线激励电压不会影响测量结果。
四线布线法以其高精度而广泛用于实验室温度测量。但是，由于成本和接线方便等因素，三线系统在工业控制场所中得到了更广泛的应用。
四线式接线法（开尔文式接线法）

下图显示了由恒定电流源激励的三线Pt100的典型接线方法。基本原理是假设Pt100的三根引线使用相同类型的电缆，且长度相同，电阻相同。即，在下图中，Rw1 = Rw2 = Rw3，使用测量端（Rw2引线）补偿引线电阻。
恒流源激励的三线制Pt100的接线方法。

具体地，对于图中的布线方法，运算放大器A3同相输入电压V + = Vpt100 + VRw3，并且运算放大器A3反向输入电压V- = VRw1 + Vpt100 + VRw3。基于Rw1 ＝ Rw2 ＝ Rw3的假设，存在Vrw1 ＝ Vrw3。运算放大器A3的输出为Vo = 2V +-V- = Vpt100。即，理论上消除了引线电阻对测量结果的影响。

三，惠斯通电桥的2线制3线连接方法
惠斯通电桥是与Pt100的另一种常见连接。两线连接方法如下图所示。显然，当Pt100引线较长时，会引入较大的误差。
惠斯通电桥卧式和三线Pt100接线方法

下图显示了3线制Pt100惠斯通电桥方法。惠斯通电桥的输出公式如下。如果选择R3 = Rpt100，则理论上可以消除引线电阻引起的测量误差。
三线Pt100惠斯通电桥的接线方法

四。 Pt100比例法测量中的2、3、4线系统接线方法
比例法的本质是将Pt100与参考电阻串联，并施加激励源。由于流过Pt100的电流与参考电阻的电流相同，因此两者的电压比就是电阻比。参考电阻两端的电压用作AD转换器的参考电压，以AD转换Pt100两端的电压。然后，在公式中，D是ADC转换结果，而N是ADC位数。
Pt100比例法测量中的接线方法

由于流过Pt100的电流与参考电阻的电流相同，因此与上述两种结构相比，该电路对激励源的要求较低。比例测量电路由于其结构简单，精密元件少，测量精度高等优点，已被越来越多的人认可。

下图显示了比例法的两线制Pt100连接方法。显然，当Pt100引线较长时，会引入较大的误差。

在该电路中，可以将两线制Pt100直接替换为四线制Pt100，并且可以更改四线制连接方法以消除引线误差。
比例法两线制Pt100接线法
下图显示了比例法3线制Pt100连接法，该方法使用两个恒流源且输出相等，以补偿引线电阻。
比例法三线制Pt100接线法

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