【硬件电路设计】PT1000两线制、三线制、四线制的测温原理

主要介绍温度传感器PT1000不同接线方式的实现原理以及常见故障排除方法

1 PT1000测温原理

热电阻(如PT1000)是利用其电阻值随温度变化的原理，将温度转换成电阻的温度传感器。

温度变送器通过给热电阻施加已知的激励电流来测量其两端的电压，得到电阻值(电压/电流)，然后将电阻值转换成温度值，从而实现温度测量。

热电阻和温度变送器之间有三种连接方式:二线制、三线制和四线制。

2 二线制

在热电阻的两端各连接—根导线来引出电阻信号的方式叫二线制。这种引线方法很简单，但由于连接导线必然存在引线电阻，电阻的大小与导线的材质和长度等因素有关，因此这种引线方式只适用于测量精度较低的场合；二线制热阻计算方法如下：

图1 温度传感器的二线制接法

假设变送器通过导线L1、L2给热电阻施加激励电流I，测量电势V1、V2。

Rt的计算：

由于连接线的电阻RL1、RL2无法直接测量，计入热电阻的电阻值，导致测量结果附加误差。例如，在100℃时，PT1000热电阻的热电阻率为0.379Ω/℃，如果导线的电阻值为2Ω，则测量误差为5.3℃。

3 三线制

在热电阻的根部的一端连接一根引线，另一端连接两根引线的方式称为三线制。这种方式通常与电桥配套使用，可以较好的消除引线电阻的影响，是工业过程控制中常用的引线方式；接线图及计算如下所示：

图2 温度传感器的三线制接法

三线制是在两线制的基础上增加一根导线，以补偿连接导线电阻引起的测量误差。三线系统要求三根导线的材料、直径、长度和工作温度相同，使三根导线的电阻值相同，即RL1=RL2=RL3。激励电流I通过导线L1、L2加激励电流I，测量电势V1、V2、V3。导线L3接入高输入阻抗电路，IL3=0。

热阻的阻值Rt：

因此，三线制接法可以补偿连接线电阻引起的测量误差，精度较高。

4 四线制

在热电阻的根部两端各连接两根引线的方式称为四线制，其中两根引线为热电阻提供恒定的电流，把电阻转换成电压信号，再通过另两根引线把电压引至二次仪表。可见这种接线方式完全消除了引线的电阻影响，主要用于高精度的温度测量。其接线图如下所示：

图3 温度传感器的四线制接法

通过导线L1.L2给热电阻施加激励电流I，测量电势V3.V4。导线L3.L4接入高输入阻抗电路，IL3=0，IL4=0，所以V4-V3等于热电阻两端的电压。

由此可得，四线制测量方式不受连接导线的电阻的影响，精度高，并且计算简单。

5 结论

1、热电阻的三种接线方式在原理上的不同：二线制和三线制是用电桥法测量，给出的是温度值与模拟量输出值的关系。四线制没有电桥，完全只是用恒流源发送，电压计测量，给出测量电阻值。

2、不同的接线方式对测量精度的影响∶二线制电流回路和电压测量合二为一，精度差（二线制的误差主要是电流回路在电缆中产生一定的压降造成的测量误差)。三线制，电流回路的参考位和电压测量回路的参考位为一条线，精度稍好；四线制，电路回路和电压测量回路独立分开，精度高，但费用贵。

3、连接导线的电阻和接触电阻都会对PT1000测温精度产生较大影响，热电阻三线制或四线制接线方式都能有效的消除这种影响，但是成本不同，按需选择。

数字温度传感器DS18B20简介

1、DS18B20的主要特性1.1、适应电压范围更宽，电压范围：3.0～5.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电1.2、独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯1.3、DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温1.4、DS18B20在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内1.5、温范围－55℃～＋125℃，在-10～+85℃时精度为±0.5℃1.6、可编程的分辨率为9～12位，对应的可分辨温度分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃，可实现高精度测温1.7、在9位分辨率时最多在93.75ms内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字，速度更快1.8、测量结果直接输出数字温度信号，以"一线总线"串行传送给CPU，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力1.9、负压特性：电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作。

2、DS18B20的外形和内部结构DS18B20内部结构主要由四部分组成：64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。DS18B20的外形及管脚排列如下图1:

DS18B20引脚定义：

(1)DQ为数字信号输入/输出端；(2)GND为电源地；(3)VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。

图2： DS18B20内部结构图

3、DS18B20工作原理

DS18B20的读写时序和测温原理与DS1820相同，只是得到的温度值的位数因分辨率不同而不同，且温度转换时的延时时间由2s减为750ms。 DS18B20测温原理如图3所示。图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1。高温度系数晶振随温度变化其振荡率明显改变，所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。计数器1和温度寄存器被预置在－55℃所对应的一个基数值。计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，计数器1的预置将重新被装入，计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。图3中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正计数器1的预置值。

图3： DS18B20测温原理框图

DS18B20有4个主要的数据部件：

（1）光刻ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS18B20的地址序列码。64位光刻ROM的排列是：开始8位（28H）是产品类型标号，接着的48位是该DS18B20自身的序列号，最后8位是前面56位的循环冗余校验码（CRC=X8+X5+X4+1）。光刻ROM的作用是使每一个DS18B20都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。

（2）DS18B20中的温度传感器可完成对温度的测量，以12位转化为例：用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供，以0.0625℃/LSB形式表达，其中S为符号位。

表1: DS18B20温度值格式表

这是12位转化后得到的12位数据，存储在18B20的两个8比特的RAM中，二进制中的前面5位是符号位，如果测得的温度大于0，这5位为0，只要将测到的数值乘于0.0625即可得到实际温度；如果温度小于0，这5位为1，测到的数值需要取反加1再乘于0.0625即可得到实际温度。

例如+125℃的数字输出为07D0H，+25.0625℃的数字输出为0191H，-25.0625℃的数字输出为FF6FH，-55℃的数字输出为FC90H。

表2: DS18B20温度数据表

（3）DS18B20温度传感器的存储器

DS18B20温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的EEPRAM,后者存放高温度和低温度触发器TH、TL和结构寄存器。

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[回答]qcwx_s2()

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