溫度檢測已經(jīng)廣泛應用于我們的生活與工業(yè)現(xiàn)場中，測溫電路的精準性愈發(fā)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(shù)出發(fā)，為大家簡單闡述提升測溫準確性的方向。
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，逐步被普及應用。鉑熱電阻在與后級電路搭配使用時， 關注其標稱電阻、溫度系數(shù)、精度等級三個基本參數(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.溫度系數(shù)
溫度系數(shù)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。不同組織采用不同的溫度系數(shù)作為其標準，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)國家中認可的行業(yè)標準。
溫度系數(shù)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℃時的標稱電阻值偏差導致的固定誤差0.15℃，加上溫度系數(shù)漂移引入的誤差0.002×|T|。其中T是實際溫度測量范圍，T不超過精度等級表中的應用溫度范圍-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、溫度系數(shù)標準、精度等級及應用溫度范圍，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)換關系用以下公式描述，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(guī)定的三個常數(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，計算復雜。
為了簡化計算，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)換關系。
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，溫度范圍內(nèi)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(jù)公式生成溫度電阻值表，再在查找表中進行小范圍的線性插值，是既計算簡單又可以實現(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進行測量，測量電流不可避免的會在電阻中產(chǎn)生熱量，引入自熱誤差。鉑熱電阻手冊中有標注測量電流、自熱系數(shù)，兩個參數(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,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(shù)量最多多;三線制基于三個根引線在同等物理尺寸條件下，引線電阻值相等，兩次測量電阻值之后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，還需要后續(xù)硬件設計與軟件算法的優(yōu)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(nèi)置激勵電流源在內(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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