深入了解鉑熱電阻參數(shù)
溫度檢測(cè)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于我們的生活與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中，測(cè)溫電路的精準(zhǔn)性愈發(fā)重要，該如何提升測(cè)溫電路的準(zhǔn)確性?本文將以熱電阻測(cè)溫方案為例，從熱電阻的選型參數(shù)出發(fā)，為大家簡(jiǎn)單闡述提升測(cè)溫準(zhǔn)確性的方向。
鉑熱電阻具有良好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和精度，是常用的工業(yè)測(cè)溫傳感元件。近年來(lái)，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(jí)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(jí)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(cè)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(cè)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。
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(guó)GB/T30121采用的溫度系數(shù)為0.003851，美國(guó)ASTM E1137采用的溫度系數(shù)為0.003902，0.003851目前是國(guó)內(nèi)和大多數(shù)國(guó)家中認(rèn)可的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。
溫度系數(shù)的計(jì)算過(guò)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(jí)
IEC60751中規(guī)定了鉑熱電阻的精度等級(jí)、允許誤差。以A級(jí)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(cè)量范圍，T不超過(guò)精度等級(jí)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(jí)的允許誤差。
當(dāng)被測(cè)溫度為100℃時(shí)，A級(jí)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(jí)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(cè)溫度T，但需要求解三次方方程，計(jì)算復(fù)雜。
為了簡(jiǎn)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。
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(jiǎn)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(guò)16Ω，誤差比較大。
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(jiǎn)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(cè)量電流
鉑熱電阻幾乎都使用直流電流激勵(lì)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)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(cè)中有標(biāo)注測(cè)量電流、自熱系數(shù)，兩個(gè)參數(shù)，典型測(cè)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(cè)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(cè)量電流優(yōu)先設(shè)定到最大值，電流過(guò)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(cè)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(wú)法消除;四線制無(wú)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(cè)量電阻值之后通過(guò)計(jì)算可消除引線誤差，是用得最多的方式。
圖 5 鉑熱電阻接線方式
7.總結(jié)
測(cè)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(duì)鉑熱電阻測(cè)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(cè)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(guò)IIC數(shù)字接口讀出溫度值。
標(biāo)簽： 致遠(yuǎn)電子 鉑熱電阻
