深入了解鉑熱電阻參數

2020-12-08 電子產品世界

　　溫度檢測已經廣泛應用於我們的生活與工業現場中，測溫電路的精準性愈發重要，該如何提升測溫電路的準確性?本文將以熱電阻測溫方案為例，從熱電阻的選型參數出發，為大家簡單闡述提升測溫準確性的方向。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201901/396920.htm

　　鉑熱電阻具有良好的長期穩定性和精度，是常用的工業測溫傳感元件。近年來，薄膜印刷生產工藝使得貴金屬鉑的用量減少，鉑熱電阻成本大幅度下降，逐步被普及應用。鉑熱電阻在與後級電路搭配使用時， 關注其標稱電阻、溫度係數、精度等級三個基本參數，我們可以決定鉑熱電阻的選型，了解溫度電阻轉換特性、測量電流、接線方式這些參數可幫助我們儘可能少的引入額外電路誤差，搭建精準的測溫電路。

　　1.標稱電阻

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

　　2.溫度係數

　　溫度係數TCR是鉑熱電阻在水的冰點和沸點之間每單位溫度的平均電阻值變化。不同組織採用不同的溫度係數作為其標準，歐洲IEC60751和中國GB/T30121採用的溫度係數為0.003851，美國ASTM E1137採用的溫度係數為0.003902，0.003851目前是國內和大多數國家中認可的行業標準。

　　溫度係數的計算過程如下，以PT100為例。

　　TCR= (R100-R0)/(R0×100)

　　沸點100℃時的阻值R100=138.51Ω，冰點0℃時的阻值R0=100Ω，將差值38.51除標稱電阻，再除100℃，結果就是平均溫度係數。

　　3.精度等級

　　IEC60751中規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℃時的標稱電阻值偏差導致的固定誤差0.15℃，加上溫度係數漂移引入的誤差0.002×|T|。其中T是實際溫度測量範圍，T不超過精度等級表中的應用溫度範圍-30~+300℃時，則鉑熱電阻不超出精度等級的允許誤差。

　　

　　當被測溫度為100℃時，A級鉑熱電阻總的誤差為0.15+0.002×100=0.35℃。在選型時，鉑熱電阻的標稱電阻、溫度係數標準、精度等級及應用溫度範圍，是我們的選擇依據。

　　4.溫度電阻轉換特性

　　鉑熱電阻的溫度電阻轉換關係用以下公式描述，分0℃以下、0℃以上兩種情況。

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

　　當T≥0℃：RT=R0• (1+A•T+B•T2)

　　其中，RT是溫度為T時的阻值，R0是0℃時的阻值;A、B、C是IEC60751中規定的三個常數，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，計算複雜。

　　為了簡化計算，使用公式輸出PT100在-200~+850°C範圍內的溫度電阻值曲線，如下圖。PT100的阻值變化在18~400Ω範圍內，有近似線性的溫度電阻值轉換關係。

　　

　　如果用-200°C和+850°C兩個端點直接做兩點線性校準，嘗試簡化計算，溫度範圍內的溫度電阻值曲線如下圖。這時最大的非線性誤差超過16Ω，誤差比較大。

　　

　　根據公式生成溫度電阻值表，再在查找表中進行小範圍的線性插值，是既計算簡單又可以實現精確逼近的方法。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進行測量，測量電流不可避免的會在電阻中產生熱量，引入自熱誤差。鉑熱電阻手冊中有標註測量電流、自熱係數，兩個參數，典型測量電流I為0.3~1mA，自熱係數S為0.015℃/ mW左右。

　　根據自熱係數可計算測量電流引入的溫度誤差，根據以下公式。

　　ΔT = P×S=( I2×R) ×S

　　例如給定1mA，在PT100阻值最大400Ω時,產生的自熱溫度約為0.01℃，這種情況下誤差幾乎可以忽略。在鉑電阻自熱係數不影響的情況下，測量電流優先設定到最大值，電流過小時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，但引線數量最多多;三線制基於三個根引線在同等物理尺寸條件下，引線電阻值相等，兩次測量電阻值之後通過計算可消除引線誤差，是用得最多的方式。

　　圖 5 鉑熱電阻接線方式

　　7.總結

　　測溫電路的精準程度除卻熱電阻的前期選型，還需要後續硬體設計與軟體算法的優化，致遠電子針對鉑熱電阻測量，提供三線制接口的PT100接口模塊TPS02，內置激勵電流源在內的高穩定度測量電路、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數字接口讀出溫度值。

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