配热电阻的三线制温度数显仪的探讨

　　1　前言

　　数字式温度仪表由温度显示仪与温度传感器(如热电偶与热电阻等)两部分组成。在中、低温测量领域,多使用配热电阻的温度数显仪,连接方式如图1所示,它采用三线制连线并要求与1、2、3端子相连的导线电阻应一致,且每根导线电阻小于5Ω。

　　在去年,某库房的温度显示仪(型号为XMZ-102,配Pt100,两者均在检定有效期内)出现故障:传感器所在库房的温度为17·1℃(用二等标准铂电阻温度计测得),而显示仪显示的温度为23·4℃,偏差高达6·3℃。为此,我们进行实地分析考察,认为传感器与温度显示仪的连线方式是造成测量误差的主要原因。

　　2　过程分析

　　参考《计量测试技术手册第3卷温度》,当温度显示仪与传感器采用三线制连接时,显示仪的输入端电路如图2。其中R1,R2,R3,Rt(热电阻)构成平衡电桥,当Rt随温度变化时,A、C两点的电压Vac也随之变化,r1、r2、r3为三线连接引入的附加电阻。从图2可知,测量电路的输出电压Vout正比于Vac。根据电路设计的思路来看,r1、r2、r3三者都为零时最好,但是实际连接过程中,特别是在长距离连接时就很难保证此三连线电阻为零。

　　以下对r1、r2、r3在何种条件下能够保证测量准确度进行讨论。按仪器说明书,假设r1=r2=r3=r,rt为热电阻的变化量,则有如下推导。理论上r=0,此时有

　　考虑到设计过程中,R1≈R2,则Vac的相对误差为

　　根据以上推导,结合电桥各桥臂参数,计算出在相应级别下,采用三线制时外接的三根连接导线应满足的最大阻值,见表1(表中所用的热电阻为Pt100,其他热电阻也可照此法类推;单位:Ω)

　　从上表可得到如下结论:厂家给出的技术指标(连接导线电阻应在5Ω以内)置信度值得怀疑;在可能的情况下应该最大限度减小附加电阻,或者找出更好的连线方法来补偿过大的导线电阻带来的影响。

　　3　实验验证

　　针对上述分析并结合某库房出现的情况我们进行下面的实验,在验证过程中对不同的连线方法进行比较,同时也给出当连接导线电阻值不相同时的一些测试值,以找出最佳的三线制连线方法。

　　选择一套同型号、同等级三线制连接的温度数显仪与传感器(Pt100),进行如下测试:

　　3.1　测试标准设备

　　(1) 7037校准槽。稳定度±0·01℃,用于提供恒定温场;(2)电阻箱3台。分辨力为0·1Ω,提供连接导线的模拟等效电阻;(3)二等标准铂电阻温度计与1560测温仪。用作测温标准。

　　3.2　测试条件

　　(1)恒温槽设定的温度:20·00℃;(2)环境温度:18℃;(3)相对湿度:48%。

　　3.3　测试过程

　　以下过程都在传感器已插入校准槽中,并达到温度稳定状态中进行。