深度揭秘——PT100的N種不同接法

　　溫度是工作控制中非常重要的物理量，用于溫度測(cè)量的傳感器主要有熱電阻、熱敏電阻、熱電偶、半導(dǎo)體溫度傳感器等，這些傳感器各自有自己的特性與適用領(lǐng)域，設(shè)計(jì)人員必須根據(jù)自己特定的應(yīng)用來選擇合適的傳感器。

　　熱電阻(RTD)是使用細(xì)金屬絲纏繞在支架上，而構(gòu)成的電阻阻值隨溫度變化的具有較高精度的溫度傳感器，工作溫度范圍為-200℃~+850℃。常見的RTD材料有鎳、銅、鉑等，其中又以100Ω(0℃時(shí))鉑制熱電阻最為常見。由于鉑金屬的物理、化學(xué)特性都非常穩(wěn)定，鉑電阻以精度高、長(zhǎng)期穩(wěn)定性好、重復(fù)性好、響應(yīng)快速等特點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用。

　　下面公式描述了Pt100的溫度特性，從公式中可以看到Pt100的溫度與電阻特性顯然是非線性的，但與熱電偶、熱敏電阻相比，Pt100的線性度經(jīng)好很多，因此非線性校正也比較

　　容易。早期的非線性校正多采用復(fù)雜的模擬電路實(shí)現(xiàn)，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，目前在實(shí)際應(yīng)用中，一般使用單片機(jī)進(jìn)行查表結(jié)合插值的方法對(duì)Pt100進(jìn)行非線性校正。

　　由于熱電阻是無源器件，在使用過程中需要外部激勵(lì)才能工作，在使用過程中必須注意激勵(lì)電流的大小要合適。電流過大會(huì)導(dǎo)致Pt100自身發(fā)熱，產(chǎn)生測(cè)量誤差，因此在設(shè)計(jì)過程中必須根據(jù)測(cè)量要求仔細(xì)設(shè)計(jì)信號(hào)調(diào)理電路，確保傳感器自身發(fā)熱產(chǎn)生的誤差在可接受范圍內(nèi)。

　　一、為什么采用三線制、四線制接法

　　由于Pt100溫度系數(shù)只有0.385Ω/℃，如果傳感器與控制器之間距離較遠(yuǎn)，需要較長(zhǎng)的引線，那么由于引線電阻而產(chǎn)生的測(cè)量誤差可能會(huì)很嚴(yán)重。例如，現(xiàn)假設(shè)有一個(gè)Pt100通過100英尺(約30米)的30號(hào)銅引線與控制器相連，30號(hào)銅導(dǎo)線的電阻為0.105Ω/英尺，如果采用常規(guī)的兩根引線的接法，如下圖，則引線上共產(chǎn)生21Ω電阻，即相當(dāng)于55 的測(cè)量誤差!

　　為解決這一問題，Pt100除了兩線制接法，還有三線制與四線制接法，來降低甚至消除引線電阻帶來的測(cè)量誤差。

　　二、恒流源激勵(lì)的兩、三、四線制接法

　　上文已經(jīng)提到，Pt100是電阻式溫度傳感器，其溫度測(cè)量的本質(zhì)其實(shí)是測(cè)量傳感器的電阻。通常的做法是將電阻轉(zhuǎn)換成電壓或電流等電信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，由單片機(jī)對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行線性化。一般Pt100進(jìn)行溫度測(cè)量有兩種方案：

　　1. 設(shè)計(jì)一個(gè)恒流源通過Pt100熱電阻，通過檢測(cè)Pt100上的電壓來計(jì)算溫度;

　　2. 采用惠斯通電橋，電橋的四個(gè)電阻中有三個(gè)是恒定的，另外一個(gè)采用Pt100熱電阻，當(dāng)Pt100的電阻值發(fā)生變化時(shí)，測(cè)試端將產(chǎn)生一個(gè)電熱差，由此電熱差來計(jì)算溫度。

　　另外還有一類稱為“比例法”的測(cè)量方法，可看做第一類測(cè)量方法的改進(jìn)，后文將做詳細(xì)介紹。