熱電阻大都由純金屬材料制成，目前應(yīng)用最多的是鉑和銅，此外，現(xiàn)在已開始采用鎳、錳和銠等材料制造熱電阻。金屬熱電阻常用的感溫材料種類較多，最常用的是鉑絲。工業(yè)測量用金屬熱電阻材料除鉑絲外，還有銅、鎳、鐵、鐵—鎳等。

 

熱電阻工作原理

 

熱電阻的測溫原理是基于導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化而變化這一特性來測量溫度及與溫度有關(guān)的參數(shù)。熱電阻大都由純金屬材料制成，目前應(yīng)用最多的是鉑和銅，現(xiàn)在已開始采用鎳、錳和銠等材料制造熱電阻。熱電阻通常需要把電阻信號通過引線傳遞到計算機(jī)控制裝置或者其它二次儀表上。

 

熱電阻（圖2）

 

傳感器的結(jié)構(gòu)： 兩線制：

 

傳感器電阻變化值與連接導(dǎo)線電阻值共同構(gòu)成傳感器的輸出值，由于導(dǎo)線電阻帶來的附加誤差使實際測量值偏高，用于測量精度要求不高的場合，并且導(dǎo)線的長度不宜過長。 三線制：

 

要求引出的三根導(dǎo)線截面積和長度均相同，測量鉑電阻的電路一般是不平衡電橋，鉑電阻作為電橋的一個橋臂電阻，將導(dǎo)線一根接到電橋的電源端，其余兩根分別接到鉑電阻所在的橋臂及與其相鄰的橋臂上，當(dāng)橋路平衡時，導(dǎo)線電阻的變化對測量結(jié)果沒有任何影響，這樣就消除了導(dǎo)線線路電阻帶來的測量誤差，但是必須為全等臂電橋，否則不可能完全消除導(dǎo)線電阻的影響。采用三線制會大大減小導(dǎo)線電阻帶來的附加誤差，工業(yè)上一般都采用三線制接法。 四線制：

 

當(dāng)測量電阻數(shù)值很小時，測試線的電阻可能引入明顯誤差，四線測量用兩條附加測試線提供恒定電流，另兩條測試線測量未知電阻的電壓降，在電壓表輸入阻抗足夠高的條件下，電流幾乎不流過電壓表，這樣就可以精確測量未知電阻上的壓降，計算得出電阻值 幾線制是指的信號采用幾根線來定義的。

 

電流輸出型變送器將物理量轉(zhuǎn)換成4~20mA電流輸出，必然要有外電源為其供電。最典型的是變送器需要兩根電源線，加上兩根電流輸出線，總共要接4根線，稱之為四線制變送器。

 

當(dāng)然，電流輸出可以與電源公用一根線（公用VCC或者GND），可節(jié)省一根線，稱之為三線制變送器。

 

其實大家可能注意到， 4-20mA電流本身就可以為變送器供電，如圖1所示。變送器在電路中相當(dāng)于一個特殊的負(fù)載，特殊之處在于變送器的耗電電流在4~20mA之間根據(jù)傳感器輸出而變化。顯示儀表只需要串在電路中即可。這種變送器只需外接2根線，因而被稱為兩線制變送器。工業(yè)電流環(huán)標(biāo)準(zhǔn)下限為4mA，因此只要在量程范圍內(nèi)，變送器至少有4mA供電。這使得兩線制傳感器的設(shè)計成為可能。

 

在工業(yè)應(yīng)用中，測量點一般在現(xiàn)場，而顯示設(shè)備或者控制設(shè)備一般都在控制室或控制柜上。兩者之間距離可能數(shù)十至數(shù)百米。按一百米距離計算，省去2根信號傳輸導(dǎo)線意味著成本降低近百元！另外四線制變送器和三線制變送器因?qū)Ь€內(nèi)電流不對稱必須使用昂貴的屏蔽線，而兩線制變送器可使用非常便宜的的雙絞線導(dǎo)線，因此在應(yīng)用中兩線制變送器必然是首選。

 

 

兩線制沒有線路電阻補(bǔ)償，配線簡單，但要帶進(jìn)引線電阻的附加誤差。因此不適用制造A級精度的熱電阻，且在使用時引線及導(dǎo)線都不宜過長。

 

三線制：

 

有線路電阻補(bǔ)償，可以消除引線電阻的影響，測量精度高于2線制。作為過程檢測元件，其應(yīng)用最廣。

 

四線制：

 

在熱電阻的根部兩端各連接兩根導(dǎo)線的方式稱為四線制，其中兩根引線為熱電阻提供恒定電流I，把R轉(zhuǎn)換成電壓信號U，再通過另兩根引線把U引至PLC。這種引線方式可完全消除引線的電阻影響，但成本較高，主要用于高精度的溫度檢測。 變送器、傳感器、流量計等中也有兩線制和四線制

 

兩線制是信號和電源在一起，現(xiàn)在的儀表都采用這種方式。電技術(shù)聯(lián)盟5r/r 6l-T6c7`$L8}）s 四線制是電源和信號分開的，如大功率變送器，220VAC給變送器放大板供電，差動變壓器將微位移信號轉(zhuǎn)換成電信號，放大板將其轉(zhuǎn)換成0-10mA的恒流源送到二次儀表或DCS系統(tǒng)，現(xiàn)在已經(jīng)淘汰了。

 

問題：在壓差/力傳感器和流量計性能參數(shù)中，經(jīng)常會出現(xiàn)輸出信號：二線制（4～20）mA、三線制（0～10）mA。問題是，什么是二線制和三線制，它們的區(qū)別是什么？如何接線？

 

2線制的優(yōu)點是接線簡單，只適用一般功率小的一次傳感器，如：壓變、差壓變、溫變、電容式液位計、射頻導(dǎo)納、電磁流量計、渦街流量計等。傳感器本身用電由二線制中得到，是必影響其帶載能力。

 

4線制由于是將電源和功率分開，所以本機(jī)的功率與信號是沒有功率上的關(guān)聯(lián)的，適用于大功率的的傳感器，如超聲波（由于其為了加大抗干擾能力，所以發(fā)射的功率會很大，所以此款產(chǎn)品選型時要盡量四線的，二線的一般抗干擾能力較弱），就不能作成2線的，只能是4線，分別是工作電源2個，輸出2個。

 

問題：為什么兩線制儀表的信號起始零點都是4mA而不是0mA？

 

由于是兩線傳輸，即采用變送單元的供電電流作為信號，變送單元需要一定的靜態(tài)工作電流，所以信號的下限不能選在0mA，根據(jù)國際電工委員會標(biāo)準(zhǔn)，電流信號的下限為4mA，即所謂的“活”零點。儀表零點為4mA比0mA安全，便于區(qū)分儀表是斷電還是指示最小。用電流信號的原因是不容易受干擾。并且電流源內(nèi)阻無窮大，導(dǎo)線電阻串聯(lián)在回路中不影響精度，在普通雙絞線上可以傳輸數(shù)百米。上限取20mA是因為防爆的要求：20mA的電流通斷引起的火花能量不足以引燃瓦斯。下限沒有取0mA的原因是為了能檢測斷線：正常工作時不會低于4mA，當(dāng)傳輸線因故障斷路，環(huán)路電流降為0。常取2mA作為斷線報警值。

 

問題：兩線制儀表大多是電流輸出信號，有電壓輸出信號的嗎？如何取電壓？

 

電流轉(zhuǎn)換電壓的方法很簡單，只要在電流傳送回路中串接一個250歐標(biāo)準(zhǔn)電阻（精度正負(fù)0．05%），在其兩端取出1--5V DC信號。

 

熱電阻的信號連接方式

 

熱電阻是把溫度變化轉(zhuǎn)換為電阻值變化的一次元件，目前熱電阻的引線主要有三種方式：

 

熱電阻四線制、三線制、兩線制的區(qū)別對比分析

 

1、二線制：在熱電阻的兩端各連接一根導(dǎo)線來引出電阻信號的方式叫二線制：這種引方法很簡單，但由于連接導(dǎo)線必然存在引線電阻r，r大小與導(dǎo)線的材質(zhì)和長度的因素有關(guān)，因此這種引線方式只適用于測量精度較低的場合。

 

2、三線制：在熱電阻的根部的一端連接一根引線，另一端連接兩根 引線的方式稱為三線制，這種方式通常與 電橋配套使用，可以較好的消除引線電阻 的影響，是工業(yè)過程控制中的最常用的引線電阻。

 

3、四線制：在熱電阻的根部兩端

 

各連接兩根導(dǎo)線的方式稱為四線制，其 中兩根引線為熱電阻提供恒定電流I， 把R轉(zhuǎn)換成電壓信號U，再通過另兩根引 線把U引至二次儀表?？梢娺@種引線方 式可完全消除引線的電阻影響，主要用 于高精度的溫度檢測。 這三種接線方法的區(qū)別：

 

因為熱電阻的阻值小，因此連接導(dǎo)線的電阻以及接觸電阻會對其測溫精度產(chǎn)生較大影響，所以引入三線制或者四線制就是要消除這些影響與熱電阻連接的檢測設(shè)備（溫控表、PLC輸入等）都有四個接線端子。I+、I-、V+、V-。

 

其中，I+、I-端是為了給熱電阻提供恒定的電流，V+、V-是用來監(jiān)測熱電阻的電壓變化，依次檢測溫度變化。 4線就是從熱電阻兩端引出4線，和4個端子連接。 3線就是引出3線，這需要檢測設(shè)備方的I-V-短接。 2線就使引出2線，這需要檢測設(shè)備方的I-V-、I+/V+短接 2、不同的接線方式對精度的影響：

 

2線，電流回路和電壓測量回路合二為一，精度差。

 

（二線制的誤差主要在電流回路在電纜中產(chǎn)生一定壓降造成的測量誤差） 3線，電流回路的參考位和電壓測量回路的參考位為一條線，精度稍好 4線，電路回路和電壓測量回路獨立分開，精度高，但費線。 兩線制輸出接線是當(dāng)前模擬量串口中最先進(jìn)的輸出方式，具有6大優(yōu)點：

 

（1）不易受寄生熱電偶和沿電線電阻壓降和溫漂的影響，可用非常便宜的更細(xì)的雙絞線導(dǎo)線；

 

（2）在電流源輸出電阻足夠大時，經(jīng)磁場耦合感應(yīng)到導(dǎo)線環(huán)路內(nèi)的電壓，不會產(chǎn)生顯著影響，因為干擾源引起的電流極小，一般情況利用雙絞線就能降低干擾；

 

（3）電容性干擾會導(dǎo)致接收器電阻有關(guān)誤差，對于4～20mA兩線制環(huán)路，接收器電阻通常為250Ω（取樣Uout＝1～5V）這個電阻小到不足以產(chǎn)生顯著誤差，因此，可以允許的電線長度比電壓遙測系統(tǒng)更長更遠(yuǎn)；

 

（4）各個單臺示讀裝置或記錄裝置可以在電線長度不等的不同通道間進(jìn)行換接，不因電線長度的不等造成精度的差異；

 

（5）將4mA用于零電平，使判斷輸送線開路或傳感器損壞（0mA狀態(tài)）十分方便；

 

（6）在兩線輸出口容易增設(shè)防浪涌和防雷器件，有利于安全防雷防爆。

 

 

推薦閱讀：