工業現場復雜,PT100傳感器與控制器距離可能很遠。由于PT100阻值隨溫度變化(0.385Ω/℃),長導線的電阻對測量精度有影響。要提高測量準確性,必須解決導線引起的誤差問題。
常用鉑熱電阻PT100是一種具有正溫度系數的感溫傳感器,即隨溫度升高,傳感器自身阻值呈正相關的變化,如圖1,被測對象的溫度每上升1℃,PT100的阻值隨之增加0.385Ω,在-200℃~850℃的區間內,鉑熱電阻PT100良好的線性度,為開發者開發提供了高精度測量的保障,這是PT100應用廣泛的原因之一。圖1PT100曲線PT100可作為高精度測溫傳感器,功能優異,但是在工業環境復雜的情況下,傳感器冗長的導線會帶來線阻抗,這對于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自身熱效應帶來的誤差,PT100的恒流源電流一般設置在0.1mA~1mA,若恒流源設置在1mA,由式1.1計算可得,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,想要得到高精度測溫效果,必須消除傳感器線阻抗帶來的誤差影響,行業內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,最為精準且簡單,但是需要接口資源比較多;三線制接法可以通過計算排除線誤差,節約接口資源,但是需要三根線等阻抗,這也是比較容易實現的。
針對復雜的工業環境,客戶對于高精度測溫產品的需求,ZLG致遠電子推出一款雙通道高精度熱電阻PT100隔離測溫模塊TPS02RAH,可以實現在-200℃~850℃的區間內測量精度為0.02%±0.1℃,10ppm低溫漂指標。
圖2 三線制接法運用
如圖2,三線制接法采集電壓信號,由后端PGA提供增益放大,經ADC模數轉換,輸出數字信號給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準三線制PT100,可保證:
(1.2)
恒流源流經共模電阻R,為ADC提供一定的共模電壓,ADC差分輸入通道分別測量AB,AC兩端電壓,。已知:
(1.3)結合式1.2,經過計算處理:
(1.4)通過式1.4,可以得到完全消除線阻抗誤差的PT100測量值,實現高精度溫度測量。三線制接法可以在實現與四線制相同測量精度的同時,節省出一個接線端子,這對于對用戶開發小型化產品優勢很大,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。ZLG致遠電子TPS02RAH在三線制接法的基礎上,對恒流源做優化處理,利用運放負反饋原理,提高恒流源穩定性,并為ADC輸入提供一定共模電壓,為ADC差分測量提供保證,并賦予監測報警功能。具體測量數據如表2。
表2ZLG測溫方案驗證數據
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