三线PT100
PT100铂热电阻在中低温段（-200℃～+850℃）温度测量中，因精度高、稳定性好、线性度优且可标准化互换，成为工业过程控制、能源电力、航空航天等领域的首选传感器。然而，在实际工程中，引线电阻及其随温度的变化是影响测量精度的关键因素之一。尤其在长距离传输或多点布线场景下，引线电阻可与PT100本身的电阻变化相当甚至更大，从而导致显著误差。
为解决这一问题，三线制PT100（Three-wire PT100）应运而生。它在不显著增加成本和复杂度的前提下，可有效抵消引线电阻的影响，大幅提升测量准确度。本报告将从引线误差机理、三线制工作原理、数学模型、电路实现、性能对比及工程选型六个维度，系统分析三线PT100的技术内涵与应用价值。
二、引线电阻误差机理
2.1 引线电阻的来源
PT100的信号引线通常由铜或镀锡铜制成，其电阻率随温度变化：
Rlead(T)=ρ(T)⋅AL
其中L为引线长度，A为截面积，ρ(T)为铜的电阻率（约1.68×10−8Ω⋅m，且随温度升高而增加）。
典型情况下：
-
每米引线电阻约0.02∼0.05Ω（常温）；
-
若采用两线制且引线长10m，则引线电阻可达0.2∼0.5Ω，在PT100的100Ω标称值附近占比显著。
2.2 两线制误差分析
在两线制接法中，测量回路总电阻为：
Rtotal=RPT100(T)+2Rlead
由于测量仪器无法区分铂电阻与引线电阻，会将两者之和当作PT100电阻，从而引入系统性正偏差，且偏差随引线长度与温度变化。
三、三线制PT100的工作原理
3.1 基本接法
三线制在PT100的一端连接两根引线（称为“电流引线”），另一端连接一根引线（称为“电压引线”）：
-
电流源通过两根电流引线为PT100提供恒定电流I；
-
电压测量端连接在电压引线两端，测量PT100两端的电压降。
3.2 误差抵消原理
设两根电流引线电阻均为RL，电压引线电阻为RL′（通常与RL相等）。
-
电流源输出的总电压为：
Vsource=I⋅[RPT100+2RL]
-
电压表测得的电压为：
Vmeas=I⋅RPT100+I⋅RL′
若RL=RL′，则电压表中包含的引线压降为IRL，而电流源回路中另有一根RL未被计入。通过差分测量或电桥平衡设计，可使仪器内部自动扣除一根引线电阻的影响，从而将引线误差从两线制的2RL降至约RL甚至更低。
3.3 数学推导（理想情况）
在三线制平衡电桥或恒流源+差分放大电路中，若两根电流引线电阻相等且电压引线电阻与之相等，则测量电路的输出电压为：
Vout≈I⋅RPT100
即引线电阻的影响被有效抵消，仅剩铂电阻本身的阻值变化被检测。
四、三线制电路实现方案
4.1 恒流源+差分测量
-
恒流源I通过两根电流引线流入PT100；
-
电压引线接入高输入阻抗差分放大器，测量PT100两端电压；
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放大器输出端经滤波后送入ADC。
该方案结构简单，但对引线电阻匹配度有一定要求。
4.2 三线制电桥
-
在惠斯通电桥中，PT100与已知参考电阻构成一臂，另两臂包含匹配的引线电阻；
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通过调节参考电阻或利用软件算法补偿残余引线误差；
-
适用于需要高精度且引线较长（>20m）的场合。
4.3 集成化三线制RTD接口芯片
现代芯片（如MAX31865）内置三线制/四线制自适应电路、24位Σ-Δ ADC及故障检测功能，用户只需按三线制接线即可自动实现引线电阻补偿，大幅降低设计难度。
五、性能对比与误差分析
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指标 |
两线制PT100 |
三线制PT100 |
四线制PT100 |
|---|---|---|---|
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引线误差影响 |
最大（2RL） |
中等（可降至RL或更低） |
最小（理论上为零） |
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电路复杂度 |
低 |
中 |
高 |
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成本 |
最低 |
中等 |
较高 |
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适用场景 |
短距离、低精度 |
中长距离、工业现场 |
实验室、高精度计量 |
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残余误差（例） |
±0.5℃@10m引线 |
±0.1℃@10m引线 |
±0.01℃@10m引线 |
残余误差来源：
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引线电阻温度系数不一致；
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接触电阻变化；
-
电流源精度与稳定性；
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放大器输入失调与噪声。
六、工程选型与设计建议
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引线长度与精度需求匹配：
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引线长<5m且精度要求不高（±1℃）可用两线制；
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引线长5~50m且要求±0.1~0.5℃时，推荐三线制；
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引线长>50m或要求±0.05℃以下，宜用四线制。
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引线材料与截面积：
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选用低阻值材料（如镀银铜），截面积≥0.2mm²以降低RL；
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控制引线长度一致，减少不匹配误差。
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电路设计要点：
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恒流源稳定性优于恒压源；
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差分放大器输入阻抗应≥10MΩ，以减小加载误差；
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在可能情况下，用软件对残余引线误差进行温度系数补偿。
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安装与维护：
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避免引线接头氧化或松动，定期检查接触电阻；
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在防爆或高湿环境，引线需加屏蔽与防护套管。
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七、结论
三线制PT100通过增加一根电压检测引线并利用电路或电桥的对称特性，在几乎不增加硬件成本的前提下，将引线电阻误差从两线制的2RL显著降低，是工业现场中精度与成本的最佳折中方案。它在石化、电力、冶金、HVAC等中长距离测温场景中具有不可替代的优势。尽管在超高精度或超长引线应用中四线制更优，但三线制凭借其实现简单、可靠性高、性价比好的特点，仍将是未来相当长一段时间内工业温度测量的主流接线方式。
