铂热电阻的接线造成温度失真现象的研究

    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。