温度测量时如何消除线阻抗引入的误差？

摘要：工业现场环境复杂，传感器距离控制器往往很远，对于测温传感器PT100，传感器阻值变化0.385Ω/℃，因此过长导线的线阻抗不可忽视，消除导线引来的测量误差，是提高PT100测量精度必须解决的问题。

常用铂热电阻PT100是一种具有正温度系数的感温传感器，即随温度升高，传感器自身阻值呈正相关的变化，如图1.1，被测对象的温度每上升1℃，PT100的阻值随之增加0.385 ，在-200℃~850℃的区间内，铂热电阻PT100良好的线性度，为开发者开发提供了高精度测量的保障，这是PT100应用广泛的原因之一。

图1.1  PT100曲线

PT100可作为高精度测温传感器，功能优异，但是在工业环境复杂的情况下，传感器冗长的导线会带来线阻抗，这对于0.385 ，若想保证0.1度的精度，即需要保证线阻抗引来的误差必须小于38.5 ，而为了不引入传感器PT100自身热效应带来的误差，PT100的恒流源电流一般设置在0.1mA~1mA，若恒流源设置在1mA，由式1.1计算可得，误差电压须小于38.5uV，这是排除噪声影响下的估算。

                                           （1.1）                                        

因此，想要得到高精度测温效果，必须消除传感器线阻抗带来的误差影响，行业内一般接线有三种方式，如表1.1。

表1.1  PT100通用接法

由表1.1可以看出，两线制接法线阻抗误差最大，且无法排除；四线制接法也称开尔文氏接法，最为精准且简单，但是需要接口资源比较多；三线制接法可以通过计算排除线误差，节约接口资源，但是需要三根线等阻抗，这也是比较容易实现的。

针对复杂的工业环境，客户对于高精度测温产品的需求，我司推出一款双通道高精度热电阻PT100隔离测温模块TPS02R，可以实现在-200℃~850℃的区间内测量精度为0.02% 0.1℃，10ppm低温漂指标。

图1.2  三线制接法运用。

如图1.2，三线制接法采集电压信号，由后端PGA提供增益放大，经ADC模数转换，输出数字信号给MCU处理，由于A,B,C三线均存在线阻抗 ， ， 。这里可以通过安装标准三线制PT100，可保证

                                    （1.2）                                   

恒流源流经共模电阻R,为ADC提供一定的共模电压，ADC差分输入通道分别测量AB，AC两端电压 。已知                                                    

（1.3）

结合式1.2，经过计算处理

（1.4）

通过式1.4，可以得到完全消除线阻抗误差的PT100测量值，实现高精度温度测量。三线制接法可以在实现与四线制相同测量精度的同时，节省出一个接线端子，这对于对用户开发小型化产品优势很大，三线制接法只要保证A，B，C等阻抗，即可保证线阻抗的引入误差基本可忽略不计。

我司TPS02R在三线制接法的基础上，对恒流源做优化处理，利用运放负反馈原理，提高恒流源稳定性，并为ADC输入提供一定共模电压，为ADC差分测量提供保证，并赋予监测报警功能。具体测量数据如表1.2

表1.2   我司测温方案验证数据