深度揭秘——PT100的N种不同接法

作者：antonine

　　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有热电阻、热敏电阻、热电偶、半导体温度传感器等，这些传感器各自有自己的特性与适用领域，设计人员必须根据自己特定的应用来选择合适的传感器。



　　热电阻(RTD)是使用细金属丝缠绕在支架上，而构成的电阻阻值随温度变化的具有较高精度的温度传感器，工作温度范围为-200℃~+850℃。常见的RTD材料有镍、铜、铂等，其中又以100Ω(0℃时)铂制热电阻最为常见。由于铂金属的物理、化学特性都非常稳定，铂电阻以精度高、长期稳定性好、重复性好、响应快速等特点得到广泛应用。

　　下面公式描述了Pt100的温度特性，从公式中可以看到Pt100的温度与电阻特性显然是非线性的，但与热电偶、热敏电阻相比，Pt100的线性度经好很多，因此非线性校正也比较



　　容易。早期的非线性校正多采用复杂的模拟电路实现，随着电子技术的发展，目前在实际应用中，一般使用单片机进行查表结合插值的方法对Pt100进行非线性校正。

　　由于热电阻是无源器件，在使用过程中需要外部激励才能工作，在使用过程中必须注意激励电流的大小要合适。电流过大会导致Pt100自身发热，产生测量误差，因此在设计过程中必须根据测量要求仔细设计信号调理电路，确保传感器自身发热产生的误差在可接受范围内。

　　一、为什么采用三线制、四线制接法

　　由于Pt100温度系数只有0.385Ω/℃，如果传感器与控制器之间距离较远，需要较长的引线，那么由于引线电阻而产生的测量误差可能会很严重。例如，现假设有一个Pt100通过100英尺(约30米)的30号铜引线与控制器相连，30号铜导线的电阻为0.105Ω/英尺，如果采用常规的两根引线的接法，如下图，则引线上共产生21Ω电阻，即相当于55 的测量误差!



　　为解决这一问题，Pt100除了两线制接法，还有三线制与四线制接法，来降低甚至消除引线电阻带来的测量误差。

　　二、恒流源激励的两、三、四线制接法

　　上文已经提到，Pt100是电阻式温度传感器，其温度测量的本质其实是测量传感器的电阻。通常的做法是将电阻转换成电压或电流等电信号进行测量，由单片机对测量结果进行线性化。一般Pt100进行温度测量有两种方案：

　　1. 设计一个恒流源通过Pt100热电阻，通过检测Pt100上的电压来计算温度;

　　2. 采用惠斯通电桥，电桥的四个电阻中有三个是恒定的，另外一个采用Pt100热电阻，当Pt100的电阻值发生变化时，测试端将产生一个电热差，由此电热差来计算温度。

　　另外还有一类称为“比例法”的测量方法，可看做第一类测量方法的改进，后文将做详细介绍。

两线制恒流源激励的接法如下图所示，以恒流源输出通过Pt100，测量Pt100两端的电压来换算成温度，前面已经提到，这种接法在Pt100引线较长时会造成较大误差。所以实际应用中更实用的是三线制与四线制接法。



　　四线制接法(开尔文接法)如下图所示，将Pt100的激励与测量端分别采用两组不同的引线引出，由于电压测量点在Pt100的引线连接处，所以引线激励电压不会对测量结果造成影响。

　　四线制接法以其高精度在实验室温度测量中得到广泛应用，但是，由于成本、接线方便性等因素的制约，在工业控制现场，三线制的接法应用更加广泛。



　　下图为恒流源激励的三线制Pt100的一种典型接法。其基本原理是假设Pt100的三条引线采用相同长度的同型线缆，具有相同的阻值，即下图中Rw1=Rw2=Rw3，利用测量端(Rw2引线)对引线电阻进行补偿。



　　具体来说，对于图中接法，运放A3同相输入端电压 V+=Vpt100+VRw3，运放A3反向输入端电压V-=VRw1 + Vpt100 + VRw3 。基于Rw1=Rw2=Rw3的假设，有Vrw1 = Vrw3。则运放A3的输出Vo = 2V+ - V- = Vpt100。即从理论上消除了引线电阻对测量结果的影响。

　　三、惠斯通电桥的两、三线制接法

　　惠斯通电桥是Pt100的另一种常见接法，其两线制接法如下图所示，显然当Pt100引线较长时，会引入较大误差。



三线制Pt100惠斯通电桥接法如下图所示，惠斯通电桥输出公式如下式，如果选择R3=Rpt100，即可从理论上消除引线电阻引入的测量误差。



　　四、比例法测量中两、三、四线制接法

　　比例法测量的本质是将Pt100与一参考电阻串联，并施加一激励源，由于流过Pt100与参考电阻的电流相同，则二者电压比即为阻值之比。将参考电阻两端电压作为AD转换器参考电压，对Pt100两端电压进行AD转换，则有



　　式中D为ADC转换结果，N为ADC位数。

　　由于流过Pt100与参考电阻的电流相同，相比上面两种结构，此电路对激励源的要求比比较低。由于结构简单，精密器件少，测量精度高等特点，比例法测量电路得到越来越多人的认可。

　　下图为比例法两线制Pt100接法，显然当Pt100引线较长时，会引入较大误差。

　　在这个电路中可以将两线制Pt100直接用四线制Pt100替换，改为四线制接法，消除引线误差。



　　下图为比例法三线制Pt100接法，采用两个输出相等的恒流源对引线电阻进行补偿。