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[导读]温度检测已经广泛应用于我们的生活与工业现场中,测温电路的精准性愈发重要,该如何提升测温电路的准确性?本文将以热电阻测温方案为例,从热电阻的选型参数出发,为大家简单阐述提升测温准确性的方向。

温度检测已经广泛应用于我们的生活与工业现场中,测温电路的精准性愈发重要,该如何提升测温电路的准确性?本文将以热电阻测温方案为例,从热电阻的选型参数出发,为大家简单阐述提升测温准确性的方向。

 

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铂热电阻具有良好的长期稳定性和精度,是常用的工业测温传感元件。近年来,薄膜印刷生产工艺使得贵金属铂的用量减少,铂热电阻成本大幅度下降,逐步被普及应用。铂热电阻在与后级电路搭配使用时, 关注其标称电阻、温度系数、精度等级三个基本参数,我们可以决定铂热电阻的选型,了解温度电阻转换特性、测量电流、接线方式这些参数可帮助我们尽可能少的引入额外电路误差,搭建精准的测温电路。

1.标称电阻

标称电阻是铂热电阻在冰点0℃度时的电阻值。标称电阻为100Ω的PT100最常用,也有标称电阻为200Ω、500Ω、1000Ω的PT200、PT500、PT1000。

 

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2.温度系数

温度系数TCR是铂热电阻在水的冰点和沸点之间每单位温度的平均电阻值变化。不同组织采用不同的温度系数作为其标准,欧洲IEC60751和中国GB/T30121采用的温度系数为0.003851,美国ASTM E1137采用的温度系数为0.003902,0.003851目前是国内和大多数国家中认可的行业标准。

温度系数的计算过程如下,以PT100为例。

TCR= (R100-R0)/(R0×100)

沸点100℃时的阻值R100=138.51Ω,冰点0℃时的阻值R0=100Ω,将差值38.51除标称电阻,再除100℃,结果就是平均温度系数。

3.精度等级

IEC60751中规定了铂热电阻的精度等级、允许误差。以A级铂热电阻为例,最大温度误差由两部分组成,0℃时的标称电阻值偏差导致的固定误差0.15℃,加上温度系数漂移引入的误差0.002×|T|。其中T是实际温度测量范围,T不超过精度等级表中的应用温度范围-30~+300℃时,则铂热电阻不超出精度等级的允许误差。

 

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当被测温度为100℃时,A级铂热电阻总的误差为0.15+0.002×100=0.35℃。在选型时,铂热电阻的标称电阻、温度系数标准、精度等级及应用温度范围,是我们的选择依据。

4.温度电阻转换特性

铂热电阻的温度电阻转换关系用以下公式描述,分0℃以下、0℃以上两种情况。

当T≤0℃:RT=R0• (1+A•T+B•T2+C• (T-100℃) •T3)

当T≥0℃:RT=R0• (1+A•T+B•T2)

其中,RT是温度为T时的阻值,R0是0℃时的阻值;A、B、C是IEC60751中规定的三个常数,其值分别为3.9083×10-3 °C-1、-5.775×10-7 °C-2、-4.183×10-12 °C-4。直接用电阻值RT代入公式中可求解被测温度T,但需要求解三次方方程,计算复杂。

为了简化计算,使用公式输出PT100在-200~+850°C范围内的温度电阻值曲线,如下图。PT100的阻值变化在18~400Ω范围内,有近似线性的温度电阻值转换关系。

 

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如果用-200°C和+850°C两个端点直接做两点线性校准,尝试简化计算,温度范围内的温度电阻值曲线如下图。这时最大的非线性误差超过16Ω,误差比较大。

 

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根据公式生成温度电阻值表,再在查找表中进行小范围的线性插值,是既计算简单又可以实现精确逼近的方法。在IEC60751中附有1℃为间隔的温度电阻值查询表。

5.测量电流

铂热电阻几乎都使用直流电流激励进行测量,测量电流不可避免的会在电阻中产生热量,引入自热误差。铂热电阻手册中有标注测量电流、自热系数,两个参数,典型测量电流I为0.3~1mA,自热系数S为0.015℃/ mW左右。

根据自热系数可计算测量电流引入的温度误差,根据以下公式。

ΔT = P×S=( I2×R) ×S

例如给定1mA,在PT100阻值最大400Ω时,产生的自热温度约为0.01℃,这种情况下误差几乎可以忽略。在铂电阻自热系数不影响的情况下,测量电流优先设定到最大值,电流过小时输出电压值幅度变小,信噪比降低。1mA是比较常用的测量电流值。

6.接线方式

铂热电阻的输出引线方式有二线制、三线制、四线值,其中二线制引线电阻引入的误差无法消除;四线制无引线电阻误差,但引线数量最多多;三线制基于三个根引线在同等物理尺寸条件下,引线电阻值相等,两次测量电阻值之后通过计算可消除引线误差,是用得最多的方式。

 

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图 5 铂热电阻接线方式

7.总结

测温电路的精准程度除却热电阻的前期选型,还需要后续硬件设计与软件算法的优化,致远电子针对铂热电阻测量,提供三线制接口的PT100接口模块TPS02,内置激励电流源在内的高稳定度测量电路、24位ADC、电阻温度值线性化算法,2500V电气隔离,连接铂热电阻就可以通过IIC数字接口读出温度值。

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