溫度傳感器三線制接法的測量誤差解析

文/胡穎

熱電阻測溫傳感器是一種利用導體或者半導體電阻值隨溫度變化而實現(xiàn)測溫的傳感器溫度計，其主要材料要具有良好的電阻溫度系數(shù)以及電阻率，具有較為穩(wěn)定的物理化學性能，較為常見的主要為鉑熱電阻和銅熱電阻。溫度傳感器種類繁多，其相對較為穩(wěn)定，測量結(jié)果更為精準。通過三線制接法進行測量監(jiān)測中受到各種不確定因素的影響會導致其出現(xiàn)不同程度的誤差問題，這些誤差會直接的降低精準性。科學分析各種誤差問題，可以有效的控制誤差，提升測量精準度。

1 熱電阻測溫傳感器與三線制接線

1.1 電阻測溫傳感器

熱電阻的電阻值會隨著溫度變化而產(chǎn)生變化，屬于一種溫度的檢測元件，主要就是通過特定的金屬或者半導體材料的導電率隨溫度變化而變化的原理制成。其阻值與溫度的變化為正比關(guān)系，隨著溫度的上升而呈現(xiàn)勻速增長的趨勢。通過熱電阻測溫就是一個測量置于測量點上的熱電阻阻值的過程。

1.2 三線制接線

因此測量熱電阻要在熱電阻兩端與導線連接，導線的阻值以及阻值隨溫度變化的特性引入一些干擾性的因素，這些因素會直接的降低測量結(jié)果的精準性。為了消除干擾影響，降低測量誤差，就要分析引線的狀況。在進行熱電阻測量的同時要在引線兩端進行監(jiān)測分析。在兩根引線參數(shù)相同的狀況之下，要分析其中一根的狀況，常規(guī)狀況之下要至少添加一根導線，通過測量引線中一根現(xiàn)場端，將其連接到儀表端中，就是三線制連接。

溫度參數(shù)是一種在工業(yè)生產(chǎn)中常用的生產(chǎn)過程，溫度傳感器性能穩(wěn)定在溫度測量中應(yīng)用廣泛。而隨著工業(yè)的精細化、科技化發(fā)展，現(xiàn)階段在工業(yè)生產(chǎn)中對于溫度高精度檢測要求越來越嚴格。在一些工業(yè)生產(chǎn)緩解中要求溫度測量精度高在0.1%以上，一些要求絕對誤差要小于0.1℃。對此要合理的分析溫度傳感器測量誤差，實現(xiàn)高精度的測量分析。三線制接法在測量中具有精度高、量程寬以及成本低、功耗低的特征，效果顯著。

溫度傳感器有著不同的類型。而因為傳感器的穩(wěn)定性決定了其測量結(jié)果相對較為精準，在各個領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用。通過測量分析溫度傳感器的誤差問題，可以充分的保障傳感器的穩(wěn)定運行。而在檢測中受到各種因素的影響導致其出現(xiàn)了不同程度的誤差問題，這些誤差問題會直接的降低傳感器的精準性。對此，溫度溫度傳感器的三線制接法，可以有效的降低測量誤差問題。

2 溫度傳感器測量誤差來源與評定

分析溫度傳感器三線制接法的測量誤差來源，通過不確定度分析以及評定等方式了解其主要規(guī)律，了解測定原理，可以為消除誤差提供精準參考。

2.1 誤差來源

三線制接法測量過程中會出現(xiàn)不同程度的系統(tǒng)誤差問題。這些誤差無法避免，而誤差過大勢必會降低測量的精準性。三線制接法測量中不同環(huán)節(jié)都會造成一些誤差隱患問題。出現(xiàn)誤差主要就是受到檢測中溫度場均勻性、重復檢測溫度傳感器以及設(shè)備應(yīng)用中產(chǎn)生的誤差問題。

2.2 誤差不確定度分析與評定

在三線制接法出現(xiàn)測量誤差的時候，要分析真值以及測量值之間的差值，通過估算的方式在某個量值范圍中的真值，表達測量結(jié)果誤差的過程中為了提升客觀性，會通過不確定度的方式分析評定測量結(jié)果。

而不確定度則主要通過表征的方式賦予被測量一定分散性，其屬于是在某個量值范圍中通過客觀評定而獲得的被測量值。通過不確定度的表征方式進行分析其屬于標準偏差，也稱之為標準不確定度。

2.3 檢測系統(tǒng)總不確定度評定

在表示測量結(jié)果中，為了提升精準性，就要限定測量區(qū)間。滿足測量區(qū)間大部分的被測量值的不同要求，確定誤差來源，通過系統(tǒng)監(jiān)測降低誤差達到提升精準性的目的。

此外，在思想政治教育中，重點還要加強職業(yè)道德教育，指導學生養(yǎng)成良好的職業(yè)道德修養(yǎng)，珍惜自己所擁有的工作機會，“干一行、愛一行、專一行”。工作過程中積極遵循職業(yè)要求活動準則，這不僅有利于個人敬業(yè)精神的塑造和單位工作的開展，同時對社會和諧的維系也有著一定的積極作用。

3 溫度傳感器三線制接法的測量誤差解析

3.1 溫度傳感器三線制接法的測量原理

在測量中，熱電阻主要根據(jù)電阻熱效阻值隨著溫度變化而出現(xiàn)不同程度的變化。綜合其阻值測量溫度，是較為重要的工作。在測量中因為傳感器以及現(xiàn)場儀表之間存在較長的連線，接線導線電阻則會導致測量誤差問題，因此在實踐中主要通過三線制消除導線誤差因素。

圖1：消除引線電阻影響電路原理

通過三線制的方式進行熱電阻信號檢測，剔除導線影響。在電路末通過恒壓法進行處理，利用電阻分壓的方式進行采樣。電路更為簡單，通過精密運算放大器以及轉(zhuǎn)換器可以實現(xiàn)輸入檢測分析。在檢測中通過采樣以及軟件處理則可以有效剔除導線產(chǎn)生的影響，提升熱電阻阻值的精準性。

轉(zhuǎn)換器帶有緩沖的兩路差分輸入以及具有可以編程的前置性放大器，其具有自動校準的功能，在大的信號動態(tài)范圍中可以充分適應(yīng)，有效的保障了傳感器全量程的精準度。其在運行中功耗相對較小，可以在高精度的電路檢測中應(yīng)用。

3.2 接觸熱電勢影響以及放大器輸入漏電流誤差因素補償方式

在測量信號中也涵蓋了接觸熱電勢影響以及放大器輸入漏電流等相關(guān)因素產(chǎn)生的影響。基于傳感器直接以及儀表連接過程中的現(xiàn)場溫度儀表為主要背景，其同時涵蓋了熱電阻與兩條導線恒壓環(huán)節(jié)中分壓。其兩條導線、電阻中均存在著兩個不同的金屬接點，其引線多數(shù)為銀線，兩個接點屬于鉑—銀接點；其兩條導線引出之后會與接線端子連接。不同成對的接點位置溫度不同則就會產(chǎn)生額外的熱電勢。

3.3 電路基準參數(shù)誤差修正數(shù)字校準

在實踐中溫度測量中的電路基準參數(shù)以及誤差修正的標稱值具有一定的初始誤差，對其進行校準可以有效的提升測量溫度的精準性。通過利用兩個不同電阻值的方式進行電阻模擬，分兩次測量并且求解數(shù)值，模擬電阻應(yīng)用高精度電阻箱給出。

將獲得的數(shù)值存入到控制系統(tǒng)中，通過非易失存儲器將其作為正視測量中的已知參數(shù)，則可以實現(xiàn)數(shù)字校準測量，通過計算可以確定實際測量溫度值。

3.4 測溫方案

3.4.1 方案1

常用的消除引線中電阻影響的主要電路圖如圖1所示。其中在虛線框中表示的就是三線制電阻溫度傳感器的結(jié)構(gòu)信息，此種方式要求高精度，同時恒流源I 精度也會給電路測量精度產(chǎn)生影響。

3.4.2 方案2

通過相似的恒流源電阻/電壓轉(zhuǎn)換三線制鉑電阻進行測量，其恒流源I 利用引線3、引線1 進行接地，將其作為鉑電阻傳感器的主要激勵電源。

3.5 測量過程

在熱電阻檢測中要綜合其自身的熱誤差問題，通過限制自身驅(qū)動電流的方式進行計算分析。通過模擬熱電阻，利用三線制接線方式進行測量。

首先進行分辨率測試。通過最小分辨率0.001Ω 精密電阻箱進行熱電阻模擬，將其基準電阻設(shè)置為100Ω，通過對最小步進檔進行分辨率的檢測模擬。然后進行精度測試，熱電阻使用精準度為0.005%高精度的電阻箱進行模擬分析，為了避免因為分度標準不同而導致的結(jié)果溫差差異問題，在測試中僅僅對電阻值進行檢測分析，通過軟件進行簡單的滑動平均濾波處理，通過對誤差進行簡單分析（如表1）。其檢測到最大的絕對誤差為0.006Ω，其最小絕對誤差數(shù)值則為0.001Ω。通過測試結(jié)果分析，在測試中最大絕對誤差為0.016Ω，溫度結(jié)果精度相對較高。

3.6 仿真測量結(jié)果

通過Multisim 軟件進行模擬仿真，分析不同傳感器的電阻、不同引線電阻之下輸出電阻。

通過計算分析方差平均值進分析可以得知，方案一方差平均值為14.795；方案二的方差平均值為34.36，方案一可以有效的控制引線電阻產(chǎn)生的影響。

4 結(jié)束語

溫度傳感器具有高精度的特征，其測溫范圍相對較寬，使用便捷，在工業(yè)過程控制以及測量系統(tǒng)中應(yīng)用相對較為廣泛。在實踐中受到傳感器測量重復性以及溫度場等多種因素的共同影響會導致其出現(xiàn)測量誤差問題，這些誤差問題的存在直接的降低了監(jiān)測的精準性。分析誤差來源，通過仿真軟件進行誤差分析，通過科學的方式合理控制誤差因素，可以有效的提升檢測精準性，達到提升檢測精準性的目的。

表1：熱電阻阻值模擬測量結(jié)果