【RTD】铂电阻测温原理与具体方法_通过铂电阻阻值求得温度的方法

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1 基本原理

  电流的本质是导体中的自由电荷（电子）在电场力的作用下做有规则的定向移动。对于一些特殊金属导体，金属金属中存在大量的自由电子，温度越高电子自由运动越明显，阻碍电子的定向移动，即是该金属电阻增大，通过该金属的电流减少。当然，也存在一些金属，随着温度升高，阻值变小。

正温度系数电阻温度线性表

  利用热电阻做成的温度传感器称为RTD，即是Resistance Temperature Detector(电阻温度探测器)。

2 铂电阻

  铂热电阻，其阻值与温度成正比例，即随着温度升高而升高；反之亦然。常用作温度测量的铂电阻有PT10、PT100、PT1000。PT10/PT100/PT1000表示该电阻在0℃时，其阻值为10Ω/100Ω/1000Ω，后两者更常用。铂电阻能够作为温度测量的传感器，因为其具备独有的特点和特性：

• 温度与阻值接近线性关系
• 精度高
• 可靠性好
• 热响应快
• 测量温度范围广，铂电阻可以实现-200℃~+800℃测量

注：
铜电阻一般测量范围约为-40℃~140℃。

  铂电阻阻值与温度关系可以用公式表示：
$$Rt=Rt0［1+\alpha （t-t0）］$$
  Rt为温度【t】时的阻值；Rt0为温度【t0】（通常t0=0℃）时对应电阻值；α为温度系数。

2.1 铂电阻测温原理

  铂电阻测温，最终是通过测量出当前铂电阻的阻值，换算为实际温度值。因此，基本原理是利用欧姆定律实现，有两种方式。

• 恒流法，以一个恒定电流通过铂电阻，通过测量铂电阻两端电压，利用欧姆定律计算出铂电阻阻值
  

恒流法测量电路

给定已知恒定电流【I】

通过ADC测量铂电阻两端电压值【V】

通过欧姆定律I=U/R计算出铂电阻阻值【Rpt】

$$Rpt=V/I$$

• 分压法，以一固定阻值电阻与铂电阻串联，测量该电阻两端电压，利用欧姆定律计算出电流；然后计算铂电阻阻值

分压法测量电路

给定一电源源【Vcc】

通过ADC测量固定阻值电阻R0两端电压值【V0】

通过ADC测量铂电阻两端电压值【V】

通过欧姆定律I=U/R计算出电流【I】和铂电阻阻值【Rpt】
$$I=V0/R0$$

$$Rpt=V/I$$

  根据以上电路图，不论是恒流源法还是分压法，都是基于欧姆定律，而铂电阻本身存在一定长度的线材，测量出来的阻值实质上是铂电阻阻值加两导线阻值【Rpt+RL1+RL2】，线材本身的阻值的引入会影响实际温度的测量。为解决导线电阻影响问题，引入了三线铂电阻、四线铂电阻。

2.2 铂电阻类型和测量方法

  铂电阻作为温度测量传感器，根据导线数目不同，分为两线式、三线式、四线式。

2.2.1 两线式铂电阻

  两线式铂电阻，即是电阻的两端各接一个导线，这种类型的铂电阻用来测量温度，误差是最大的，因为引入了两段导线的阻值。

两线式铂电阻恒流法测量电路

  两线铂电阻优点是引线简单，检测电路复杂度低，但测量误差比较大。两线式铂电阻适合测温精度要求不高、导线长度较短的场合。

2.2.2 三线式铂电阻

   三线式铂电阻，一端引线为两根线，另一端引线为一根的方式。在制作工艺上，三根导线材料成分、横截面积、长度等参数保持一致，这样测量时可以消除导线内阻引入的误差。

三线式铂电阻恒流法测量电路
  如上图，分别对铂电阻导线1和导线2给予一相同的恒定电流源【I】，导线3用于电流导流。如果导线特性都相同，导线1和导线2的压差相同，测得的电压【V】即为铂电阻两端的电压。进而准确求出铂电阻阻值。

  三线式铂电阻是比较常用的，测量精度要高于两线式，前提是三根导线阻值、特性相同。三线铂式电阻适合大部分场合，但仍然存在一定的误差，因为导线内阻不可能做到完全一致。高精度测量，则需选择四线式铂电阻。

2.2.3 四线式铂电阻

   四线式铂电阻，电阻的两端引线都为两根线，两端对向为一组线；其中一组用于电流道通，称为电流线；另外一组为测量线，用于测量电阻阻值。四线铂电阻能够严格消除导线内阻引入的误差，无论导线的特性是否完全相等。

  如下图，为一个四线式铂电阻。

• 导线1和导线4为电流线
• 导线2和导线3为测量线
  四线式铂电阻恒流法测量电路

  对于四线式铂电阻，给予电流线一恒定电流源，测量线检测到的电压即为铂电阻实际电压，根据欧姆定律即可精确计算阻值，也就得出准确的温度。

  四线式铂电阻可以完全消除导线内阻的影响，成本高，适用于高精度测量场合。

3 小结

  以上是基本的测量理论，利用铂电阻精准测量温度，除了电阻类型选择外，更多是外部因素影响。包括：

• 电源、参考源噪声，越低越好
• ADC阻抗，原则上阻抗无穷大
• ADC采集位数、精度
• 软件处理算法