PT100温度传感器与测量仪器之间的连接方式有三种:两线制、三线制和四线制。
● 两线制:无引线补偿
两线制是最简单的接线方式。由于PT100传感器的输出信号是电阻,连接传感器与仪器的导线(L1和L2)的电阻会影响最终测量结果,从而影响检测到的温度值。
当引线长度较短且与传感器处于相同温度环境时,理论上可以忽略引线电阻对测量结果的影响。
然而,在诸如制药用高压灭菌舱等应用场景中,探头与仪器之间的引线可能长达数米,此时若采用两线制连接将导致显著测量误差。
在灭菌循环过程中,大部分引线处于舱内高温环境(与传感器同温),而其余部分则暴露在舱外常温环境中。这种温度差异将导致引线导体的电阻值发生变化。
举例说明:假设某高压灭菌舱配置的温度探头采用简易两线制连接,总引线长度为4.7米。其中1.7米引线位于舱内,暴露在120℃的灭菌温度环境中;3米引线处于舱外,环境温度维持在22℃。
标准PTFE绝缘导线(采用7/0.16mm多股铜芯线材)的典型电阻值如下:
在120℃环境下:0.168 Ω/米
在22℃环境下:0.130 Ω/米
电阻差值:0.038 Ω/米
灭菌舱内1.7米x2条导线产生的额外电阻:3.4米总长度 × 0.038Ω/米 = 0.129Ω
该误差值相当于0.34℃的测温偏差,而A级PT100传感器在120℃工况下的标准允话误差仅为±0.35℃。
由此可见,在此类应用场景中,两线制连接方式显然无法满足精确测量要求,因此工程上转而采用基于改进型惠斯通电桥的三线制补偿方案。
● 三线制:部分补偿
在三线制中,传感器的引线L1和L3分别接入电桥的对向桥臂,形成相互补偿机制,而第三根引线L2则为电桥提供工作电源。
然而,这种接法会在引线上产生温度梯度。虽然焦耳热效应得以降低,但由于传感器与电桥电路中匹配的100Ω电阻所处的热传递条件存在差异,该效应无法完全消除。事实上,只有当100Ω电阻和PT100探测器处于相同温度时,这一影响才会被彻底抵消。
为实现更高精度的测量(特别是在引线较长且穿越不同环境温度的情况下),工程界开发了真正的四线制补偿系统。该方案通过独立的电流供给和电压测量线路,完全消除了引线电阻带来的测量误差。
● 四线制:完全补偿
四线制系统采用双引线对称设计:其中一对引线为传感器提供恒流电源,另一对则精确测量传感器两端的真实电压降。通过采用恒流源并直接测量PT100传感器的电压变化(而非基于欧姆定律的电阻变化),可完全消除引线电阻(无论其是否变化)带来的测量误差。
需特别说明的是,当在油槽或热块中对三线或四线PT100探头进行校准时,两种接法的读数差异可能显著减小。这是因为三线制引线在此时不受温度效应影响。
在高精度的应用中,PT100探头通常选择三线制与四线制接法,但如果是对现有系统进行改造,用户可能受限于现有仪表的接口限制。