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深入了解鉑熱電阻參數(shù)

西西 ? 來源:未知 ? 作者:致遠(yuǎn)電子 ? 2019-01-16 16:38 ? 次閱讀

溫度檢測已經(jīng)廣泛應(yīng)用于我們的生活與工業(yè)現(xiàn)場中,測溫電路的精準(zhǔn)性愈發(fā)重要,該如何提升測溫電路的準(zhǔn)確性?本文將以熱電阻測溫方案為例,從熱電阻的選型參數(shù)出發(fā),為大家簡單闡述提升測溫準(zhǔn)確性的方向。

鉑熱電阻具有良好的長期穩(wěn)定性和精度,是常用的工業(yè)測溫傳感元件。近年來,薄膜印刷生產(chǎn)工藝使得貴金屬鉑的用量減少,鉑熱電阻成本大幅度下降,逐步被普及應(yīng)用。鉑熱電阻在與后級電路搭配使用時(shí), 關(guān)注其標(biāo)稱電阻、溫度系數(shù)、精度等級三個(gè)基本參數(shù),我們可以決定鉑熱電阻的選型,了解溫度電阻轉(zhuǎn)換特性、測量電流、接線方式這些參數(shù)可幫助我們盡可能少的引入額外電路誤差,搭建精準(zhǔn)的測溫電路。

1.標(biāo)稱電阻

標(biāo)稱電阻是鉑熱電阻在冰點(diǎn)0℃度時(shí)的電阻值。標(biāo)稱電阻為100Ω的PT100最常用,也有標(biāo)稱電阻為200Ω、500Ω、1000Ω的PT200、PT500、PT1000。

深入了解鉑熱電阻參數(shù)

2.溫度系數(shù)

溫度系數(shù)TCR是鉑熱電阻在水的冰點(diǎn)和沸點(diǎn)之間每單位溫度的平均電阻值變化。不同組織采用不同的溫度系數(shù)作為其標(biāo)準(zhǔn),歐洲IEC60751和中國GB/T30121采用的溫度系數(shù)為0.003851,美國ASTM E1137采用的溫度系數(shù)為0.003902,0.003851目前是國內(nèi)和大多數(shù)國家中認(rèn)可的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

溫度系數(shù)的計(jì)算過程如下,以PT100為例。

TCR= (R100-R0)/(R0×100)

沸點(diǎn)100℃時(shí)的阻值R100=138.51Ω,冰點(diǎn)0℃時(shí)的阻值R0=100Ω,將差值38.51除標(biāo)稱電阻,再除100℃,結(jié)果就是平均溫度系數(shù)。

3.精度等級

IEC60751中規(guī)定了鉑熱電阻的精度等級、允許誤差。以A級鉑熱電阻為例,最大溫度誤差由兩部分組成,0℃時(shí)的標(biāo)稱電阻值偏差導(dǎo)致的固定誤差0.15℃,加上溫度系數(shù)漂移引入的誤差0.002×|T|。其中T是實(shí)際溫度測量范圍,T不超過精度等級表中的應(yīng)用溫度范圍-30~+300℃時(shí),則鉑熱電阻不超出精度等級的允許誤差。

深入了解鉑熱電阻參數(shù)

當(dāng)被測溫度為100℃時(shí),A級鉑熱電阻總的誤差為0.15+0.002×100=0.35℃。在選型時(shí),鉑熱電阻的標(biāo)稱電阻、溫度系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)、精度等級及應(yīng)用溫度范圍,是我們的選擇依據(jù)。

4.溫度電阻轉(zhuǎn)換特性

鉑熱電阻的溫度電阻轉(zhuǎn)換關(guān)系用以下公式描述,分0℃以下、0℃以上兩種情況。

當(dāng)T≤0℃:RT=R0? (1+A?T+B?T2+C? (T-100℃) ?T3)

當(dāng)T≥0℃:RT=R0? (1+A?T+B?T2)

其中,RT是溫度為T時(shí)的阻值,R0是0℃時(shí)的阻值;A、B、C是IEC60751中規(guī)定的三個(gè)常數(shù),其值分別為3.9083×10-3 °C-1、-5.775×10-7 °C-2、-4.183×10-12°C-4。直接用電阻值RT代入公式中可求解被測溫度T,但需要求解三次方方程,計(jì)算復(fù)雜。

為了簡化計(jì)算,使用公式輸出PT100在-200~+850°C范圍內(nèi)的溫度電阻值曲線,如下圖。PT100的阻值變化在18~400Ω范圍內(nèi),有近似線性的溫度電阻值轉(zhuǎn)換關(guān)系。

深入了解鉑熱電阻參數(shù)

如果用-200°C和+850°C兩個(gè)端點(diǎn)直接做兩點(diǎn)線性校準(zhǔn),嘗試簡化計(jì)算,溫度范圍內(nèi)的溫度電阻值曲線如下圖。這時(shí)最大的非線性誤差超過16Ω,誤差比較大。

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根據(jù)公式生成溫度電阻值表,再在查找表中進(jìn)行小范圍的線性插值,是既計(jì)算簡單又可以實(shí)現(xiàn)精確逼近的方法。在IEC60751中附有1℃為間隔的溫度電阻值查詢表。

5.測量電流

鉑熱電阻幾乎都使用直流電流激勵(lì)進(jìn)行測量,測量電流不可避免的會(huì)在電阻中產(chǎn)生熱量,引入自熱誤差。鉑熱電阻手冊中有標(biāo)注測量電流、自熱系數(shù),兩個(gè)參數(shù),典型測量電流I為0.3~1mA,自熱系數(shù)S為0.015℃/ mW左右。

根據(jù)自熱系數(shù)可計(jì)算測量電流引入的溫度誤差,根據(jù)以下公式。

ΔT = P×S=( I2×R) ×S

例如給定1mA,在PT100阻值最大400Ω時(shí),產(chǎn)生的自熱溫度約為0.01℃,這種情況下誤差幾乎可以忽略。在鉑電阻自熱系數(shù)不影響的情況下,測量電流優(yōu)先設(shè)定到最大值,電流過小時(shí)輸出電壓值幅度變小,信噪比降低。1mA是比較常用的測量電流值。

6.接線方式

鉑熱電阻的輸出引線方式有二線制、三線制、四線值,其中二線制引線電阻引入的誤差無法消除;四線制無引線電阻誤差,但引線數(shù)量最多多;三線制基于三個(gè)根引線在同等物理尺寸條件下,引線電阻值相等,兩次測量電阻值之后通過計(jì)算可消除引線誤差,是用得最多的方式。

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圖 5 鉑熱電阻接線方式

7.總結(jié)

測溫電路的精準(zhǔn)程度除卻熱電阻的前期選型,還需要后續(xù)硬件設(shè)計(jì)與軟件算法的優(yōu)化,致遠(yuǎn)電子針對鉑熱電阻測量,提供三線制接口的PT100接口模塊TPS02,內(nèi)置激勵(lì)電流源在內(nèi)的高穩(wěn)定度測量電路、24位ADC、電阻溫度值線性化算法,2500V電氣隔離,連接鉑熱電阻就可以通過IIC數(shù)字接口讀出溫度值。

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