簡單闡述提升測溫準(zhǔn)確性的方向及技巧

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， 關(guān)注其標(biāo)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(zhǔn)的測溫電路。

標(biāo)稱電阻是鉑熱電阻在冰點0℃度時的電阻值。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。

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(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)的計算過程如下，以PT100為例。

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(biāo)稱電阻，再除100℃，結(jié)果就是平均溫度系數(shù)。

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(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，則鉑熱電阻不超出精度等級的允許誤差。

當(dāng)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(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)。

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?T^2+C? (T-100℃) ?T3)

• 當(dāng)T≥0℃：RT=R0? (1+A?T+B?T^2)

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)。

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(fù)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(guān)系。

如果用-200°C和+850°C兩個端點直接做兩點線性校準(zhǔn)，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(jìn)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。

鉑熱電阻幾乎都使用直流電流激勵進(jìn)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(biāo)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。

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(shè)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。

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。

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)計與軟件算法的優(yōu)化，ZLG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。

致遠(yuǎn)電子介紹

廣州致遠(yuǎn)電子有限公司成立于2001年，是國家級高新技術(shù)認(rèn)證企業(yè)，廣東省高端工控測量儀器工程技術(shù)研究開發(fā)中心。