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2019年01月16日 | 带你了解一下铂热电阻的特性
2019-01-16
温度检测已经广泛应用于我们的生活与工业现场中，测温电路的精准性愈发重要，该如何提升测温电路的准确性？本文将以热电阻测温方案为例，从热电阻的选型参数出发，为大家简单阐述提升测温准确性的方向。
铂热电阻具有良好的长期稳定性和精度，是常用的工业测温传感元件。近年来，薄膜印刷生产工艺使得贵金属铂的用量减少，铂热电阻成本大幅度下降，逐步被普及应用。铂热电阻在与后级电路搭配使用时， 关注其标称电阻、温度系数、精度等级三个基本参数，我们可以决定铂热电阻的选型，了解温度电阻转换特性、测量电流、接线方式这些参数可帮助我们尽可能少的引入额外电路误差，搭建精准的测温电路。
标称电阻
标称电阻是铂热电阻在冰点0℃度时的电阻值。标称电阻为100Ω的PT100最常用，也有标称电阻为200Ω、500Ω、1000Ω的PT200、PT500、PT1000。
温度系数
温度系数TCR是铂热电阻在水的冰点和沸点之间每单位温度的平均电阻值变化。不同组织采用不同的温度系数作为其标准，欧洲IEC60751和中国GB/T30121采用的温度系数为0.003851，美国ASTM E1137采用的温度系数为0.003902，0.003851目前是国内和大多数国家中认可的行业标准。
温度系数的计算过程如下，以PT100为例。
TCR= (R100-R0)/(R0×100)
沸点100℃时的阻值R100=138.51Ω，冰点0℃时的阻值R0=100Ω，将差值38.51除标称电阻，再除100℃，结果就是平均温度系数。
精度等级
IEC60751中规定了铂热电阻的精度等级、允许误差。以A级铂热电阻为例，最大温度误差由两部分组成，0℃时的标称电阻值偏差导致的固定误差0.15℃，加上温度系数漂移引入的误差0.002×|T|。其中T是实际温度测量范围，T不超过精度等级表中的应用温度范围-30~+300℃时，则铂热电阻不超出精度等级的允许误差。
当被测温度为100℃时，A级铂热电阻总的误差为0.15+0.002×100=0.35℃。在选型时，铂热电阻的标称电阻、温度系数标准、精度等级及应用温度范围，是我们的选择依据。
温度电阻转换特性
铂热电阻的温度电阻转换关系用以下公式描述，分0℃以下、0℃以上两种情况。
当T≤0℃：RT=R0• (1+A•T+B•T2+C• (T-100℃) •T3)
当T≥0℃：RT=R0• (1+A•T+B•T2)
其中，RT是温度为T时的阻值，R0是0℃时的阻值；A、B、C是IEC60751中规定的三个常数，其值分别为3.9083×10-3 °C-1、-5.775×10-7 °C-2、-4.183×10-12 °C-4。直接用电阻值RT代入公式中可求解被测温度T，但需要求解三次方方程，计算复杂。
为了简化计算，使用公式输出PT100在-200~+850°C范围内的温度电阻值曲线，如下图。PT100的阻值变化在18~400Ω范围内，有近似线性的温度电阻值转换关系。
如果用-200°C和+850°C两个端点直接做两点线性校准，尝试简化计算，温度范围内的温度电阻值曲线如下图。这时最大的非线性误差超过16Ω，误差比较大。
根据公式生成温度电阻值表，再在查找表中进行小范围的线性插值，是既计算简单又可以实现精确逼近的方法。在IEC60751中附有1℃为间隔的温度电阻值查询表。
测量电流
铂热电阻几乎都使用直流电流激励进行测量，测量电流不可避免的会在电阻中产生热量，引入自热误差。铂热电阻手册中有标注测量电流、自热系数，两个参数，典型测量电流I为0.3~1mA，自热系数S为0.015℃/ mW左右。
根据自热系数可计算测量电流引入的温度误差，根据以下公式。
ΔT = P×S=( I2×R) ×S
例如给定1mA，在PT100阻值最大400Ω时,产生的自热温度约为0.01℃，这种情况下误差几乎可以忽略。在铂电阻自热系数不影响的情况下，测量电流优先设定到最大值，电流过小时输出电压值幅度变小，信噪比降低。1mA是比较常用的测量电流值。
接线方式
铂热电阻的输出引线方式有二线制、三线制、四线值，其中二线制引线电阻引入的误差无法消除；四线制无引线电阻误差，但引线数量最多多；三线制基于三个根引线在同等物理尺寸条件下，引线电阻值相等，两次测量电阻值之后通过计算可消除引线误差，是用得最多的方式。
图 5 铂热电阻接线方式
总结
测温电路的精准程度除却热电阻的前期选型，还需要后续硬件设计与软件算法的优化，致远电子针对铂热电阻测量，提供三线制接口的PT100接口模块TPS02，内置激励电流源在内的高稳定度测量电路、24位ADC、电阻温度值线性化算法，2500V电气隔离，连接铂热电阻就可以通过IIC数字接口读出温度值。
史海拾趣
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