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溫度測(cè)量:如何消除線阻抗引入的誤差?
發(fā)布時(shí)間:2019-08-06 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜,傳感器距離控制器往往很遠(yuǎn),對(duì)于測(cè)溫傳感器PT100,傳感器阻值變化0.385Ω/℃,因此過長導(dǎo)線的線阻抗不可忽視,消除導(dǎo)線引來的測(cè)量誤差,是提高PT100測(cè)量精度必須解決的問題。
常用鉑熱電阻PT100是一種具有正溫度系數(shù)的感溫傳感器,即隨溫度升高,傳感器自身阻值呈正相關(guān)的變化,如圖1,被測(cè)對(duì)象的溫度每上升1℃,PT100的阻值隨之增加0.385Ω,在-200℃~850℃的區(qū)間內(nèi),鉑熱電阻PT100良好的線性度,為開發(fā)者開發(fā)提供了高精度測(cè)量的保障,這是PT100應(yīng)用廣泛的原因之一。
圖1 PT100曲線
PT100可作為高精度測(cè)溫傳感器,功能優(yōu)異,但是在工業(yè)環(huán)境復(fù)雜的情況下,傳感器冗長的導(dǎo)線會(huì)帶來線阻抗,這對(duì)于0.385Ω/℃,若想保證0.1度的精度,即需要保證線阻抗引來的誤差必須小于38.5mΩ,而為了不引入傳感器PT100自身熱效應(yīng)帶來的誤差,PT100的恒流源電流一般設(shè)置在0.1mA~1mA,若恒流源設(shè)置在1mA,由式1.1計(jì)算可得,誤差電壓須小于38.5uV,這是排除噪聲影響下的估算。
(1.1)
因此,想要得到高精度測(cè)溫效果,必須消除傳感器線阻抗帶來的誤差影響,行業(yè)內(nèi)一般接線有三種方式,如表1。
表1 PT100通用接法
由表1可以看出,兩線制接法線阻抗誤差最大,且無法排除;四線制接法也稱開爾文氏接法,最為精準(zhǔn)且簡單,但是需要接口資源比較多;三線制接法可以通過計(jì)算排除線誤差,節(jié)約接口資源,但是需要三根線等阻抗,這也是比較容易實(shí)現(xiàn)的。
針對(duì)復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境,客戶對(duì)于高精度測(cè)溫產(chǎn)品的需求,ZLG致遠(yuǎn)電子推出一款雙通道高精度熱電阻PT100隔離測(cè)溫模塊TPS02R,可以實(shí)現(xiàn)在-200℃~850℃的區(qū)間內(nèi)測(cè)量精度為0.02%±0.1℃,10ppm低溫漂指標(biāo)。
圖2 三線制接法運(yùn)用
如圖2,三線制接法采集電壓信號(hào),由后端PGA提供增益放大,經(jīng)ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換,輸出數(shù)字信號(hào)給MCU處理,由于A,B,C三線均存在線阻抗RL1,RL2,RL3。這里可以通過安裝標(biāo)準(zhǔn)三線制PT100,可保證:
(1.2)
恒流源流經(jīng)共模電阻R,為ADC提供一定的共模電壓,ADC差分輸入通道分別測(cè)量AB,AC兩端電壓,。已知:
(1.3)
結(jié)合式1.2,經(jīng)過計(jì)算處理:
(1.4)
通過式1.4,可以得到完全消除線阻抗誤差的PT100測(cè)量值,實(shí)現(xiàn)高精度溫度測(cè)量。三線制接法可以在實(shí)現(xiàn)與四線制相同測(cè)量精度的同時(shí),節(jié)省出一個(gè)接線端子,這對(duì)于對(duì)用戶開發(fā)小型化產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)很大,三線制接法只要保證A,B,C等阻抗,即可保證線阻抗的引入誤差基本可忽略不計(jì)。
ZLG致遠(yuǎn)電子TPS02R在三線制接法的基礎(chǔ)上,對(duì)恒流源做優(yōu)化處理,利用運(yùn)放負(fù)反饋原理,提高恒流源穩(wěn)定性,并為ADC輸入提供一定共模電壓,為ADC差分測(cè)量提供保證,并賦予監(jiān)測(cè)報(bào)警功能。具體測(cè)量數(shù)據(jù)如表2。
表2 ZLG測(cè)溫方案驗(yàn)證數(shù)據(jù)
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