鉑熱電阻溫度檢測系統(tǒng)應(yīng)注意的問題

江慎為

(中國五環(huán)工程有限公司， 武漢 430223)

化工廠設(shè)計(jì)中，溫度測量回路(要求有電信號遠(yuǎn)傳)在所有測量回路中所占比例相當(dāng)大，因而溫度測量的準(zhǔn)確性對現(xiàn)代化工廠的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行十分重要。

熱電阻是利用電阻值與溫度呈一定函數(shù)對應(yīng)關(guān)系的金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料制成的感溫元件。制造熱電阻的半導(dǎo)體材料主要有鍺、碳、熱敏電阻，金屬導(dǎo)體材料主要有鉑、銅、鎳。鉑電阻具有溫度特性曲線穩(wěn)定、抗氧化性能好、制作成本低價(jià)的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于化工廠溫度測量。而熱電阻溫度測量系統(tǒng)有其固有的特點(diǎn)，在工程設(shè)計(jì)及調(diào)試過程中應(yīng)充分注意，才能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的溫度測量。文中著重分析鉑電阻溫度測量系統(tǒng)應(yīng)用中應(yīng)注意的問題。

1 鉑電阻溫度測量原理

鉑電阻是采用鉑金屬制成的溫度檢測元件。鉑金屬的電阻值與溫度的的關(guān)系式為

Rt=R0[1+At+Bt2+C(t-100)t3]

(1)

式中：Rt——被檢測溫度所對應(yīng)的電阻值；R0——被檢測溫度在0℃時(shí)所對應(yīng)的電阻值；t——被檢測溫度，℃；A，B，C——特性系數(shù)，A=3.9083×10-3，B=-5.775×10-7，C=0(當(dāng)t≥0℃時(shí))，C=-4.183×10-12(當(dāng)t<0℃時(shí))。鉑電阻的電阻值與溫度呈非線性關(guān)系。

化工廠常用的鉑電阻的分度號為Pt100，根據(jù)IEC 751—1986 《工業(yè)鉑電阻溫度計(jì)傳感器》的規(guī)定，當(dāng)溫度為0℃時(shí)，Pt100的電阻為100Ω，當(dāng)溫度為100℃時(shí)，Pt100的電阻為138.50Ω。

根據(jù)IEC 751—1986，鉑電阻的精度分A級和B級，A級的允許誤差為±(0.15+0.002|t|)℃，B級的允許誤差為±(0.3+0.005|t|)℃。A級的允許使用范圍為-200～500℃，B級的允許使用范圍為-200～850℃。

由于鉑電阻與溫度有對應(yīng)的函數(shù)關(guān)系，測出電阻值即可得到被測溫度。

傳統(tǒng)鉑電阻溫度檢測儀表的測量方法為電橋法，電橋法溫度測量儀表需要電壓穩(wěn)定的直流電源。利用電橋法的溫度檢測儀表有DDZ-II，DDZ-III，DDZ-S等儀表。

電橋法測量鉑電阻的原理如圖1所示。RA，RB，RC分別為鉑電阻A， B， C端子到溫度檢測儀表間的電阻。

圖1 電橋法電阻測量原理示意

當(dāng)電橋平衡時(shí)(輸入信號處理器兩端的電壓為0，電橋平衡點(diǎn)一般為溫度測量儀表刻度范圍的下限值)有：R1(R3+Rt+RA)=R2(R4+RB)。R1與R2的電阻設(shè)為相等。

若RA=RB，在電橋平衡點(diǎn)，信號傳輸電阻的影響可以完全消除；在其他電橋不平衡點(diǎn)，信號傳輸電阻的影響非常小，可以忽略不計(jì)。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，精度更高的溫度檢測儀表應(yīng)用非常廣泛，鉑電阻溫度檢測儀表的測量方法不局限于電橋法，現(xiàn)根據(jù)一種DCS溫度輸入卡的電路原理圖進(jìn)行具體的分析。因需要穩(wěn)定的直流電源，故將該種電阻測量方法稱為恒流法。恒流法電阻測量原理如圖2所示。

圖2 恒流法電阻測量原理示意

信號處理器的輸入阻抗很大，其電流分量可以忽略不計(jì)。自動(dòng)開關(guān)由溫度輸入卡內(nèi)部程序控制，當(dāng)自動(dòng)開關(guān)切換到位置2時(shí)，鉑電阻的Rt部分被切除，可測得傳輸電阻RB相關(guān)的電阻；當(dāng)自動(dòng)開關(guān)切換到位置1時(shí)，可測得鉑電阻Rt及傳輸電阻RA的和。

因RC的電阻在公共電路部分，只要RA=RB，該方法可以完全消除傳輸電阻對測量結(jié)果的影響，而電橋法只有電橋平衡點(diǎn)才能完全消除傳輸電阻的影響。

上述兩種溫度測量方法都要求信號傳輸RA與RB相等，否則會(huì)將電阻差值計(jì)入Rt，導(dǎo)入了傳輸電阻所造成的測量誤差，該誤差是鉑電阻元件和溫度測量儀表不能區(qū)分、消除的。

2 傳輸電阻偏差的產(chǎn)生及對溫度測量的影響

位于現(xiàn)場的鉑電阻與位于控制室的溫度測量儀表的距離較遠(yuǎn)，一般會(huì)有接線箱。傳輸信號電纜的每一芯電阻有小的差異，信號電纜與接線端子間連接，其連接電阻也會(huì)有小的差異，其他的不可預(yù)見因素也會(huì)導(dǎo)致信號傳輸電阻偏差的產(chǎn)生，因此一個(gè)溫度測量回路中，各種因素累積的傳輸電阻偏差應(yīng)小于5Ω。

由于電阻值與溫度是非線性的關(guān)系，信號傳輸電阻偏差對溫度測量的影響程度也不是線性的，在不同被測介質(zhì)下傳輸電阻偏差對溫度測量的影響程度舉例說明見表1所列。其中傳輸電阻偏差=RA-RB。

表1 傳輸電阻偏差對鉑電阻溫度測量產(chǎn)生的溫度誤差值 ℃

3 傳輸電阻偏差對溫度測量影響的消除

1)常規(guī)方法。在控制室與鉑電阻A端和B端相連的端子選用帶調(diào)整電阻的接線端子，調(diào)整電阻最大值為5Ω，可在0～5Ω內(nèi)調(diào)整，使得RA=RB，即消除了傳輸電阻所造成的測量誤差。

2)變通方法。對于采用智能二次儀表的工廠，若由于歷史原因，未安裝帶調(diào)整電阻的接線端子，可測量出傳輸電阻的偏差，計(jì)算出被測介質(zhì)正常操作溫度下的電阻值(對某一具體工藝來說，介質(zhì)溫度一般在正常操作溫度附近小范圍內(nèi)變化)，加入傳輸電阻偏差，然后查表或計(jì)算獲得操作溫度下的電阻值+傳輸電阻偏差所對應(yīng)的溫度，進(jìn)一步計(jì)算可得到傳輸電阻偏差所導(dǎo)致的溫度偏差。利用智能二次儀表的計(jì)算功能，通過抵消傳輸電阻偏差所導(dǎo)致的溫度偏差來修正溫度測量值，經(jīng)過這樣處理后的溫度測量值也能較好地滿足化工廠生產(chǎn)的要求。

上述兩種方法，均需要測得實(shí)際的傳輸電阻偏差，而兩線制的連接方式卻無法測得該傳輸電阻偏差，因此應(yīng)采用三線制的連接方式，利用與C端相連的芯線作為比較其余兩芯傳輸電阻偏差的公共線。

4 結(jié)束語

若需要較高精度的溫度測量，在控制室內(nèi)，與接受鉑電阻信號的溫度測量儀表、安全柵(采用電橋法或恒流法)的接線端子若配有5Ω的調(diào)整電阻，則不需要另外配帶調(diào)整電阻的接線端子，否則應(yīng)配帶調(diào)整電阻的接線端子，施工方應(yīng)檢測并將鉑電阻與A，B端相連的傳輸電阻調(diào)為相等。其他金屬熱電阻溫度測量的原理與鉑電阻相同，設(shè)計(jì)、施工、系統(tǒng)調(diào)試時(shí)應(yīng)同樣考慮與傳輸電阻偏差有關(guān)的問題。

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