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温度测量:如何消除线阻抗引入的误差?

【导读】工业现场环境复杂,传感器距离控制器往往很远,对于测温传感器PT100,传感器阻值变化0.385Ω/℃,因此过长导线的线阻抗不可忽视,消除导线引来的测量误差,是提高PT100测量精度必须解决的问题。

常用铂热电阻PT100是一种具有正温度系数的感温传感器,即随温度升高,传感器自身阻值呈正相关的变化,如图1,被测对象的温度每上升1℃,PT100的阻值随之增加0.385Ω,在-200℃~850℃的区间内,铂热电阻PT100良好的线性度,为开发者开发提供了高精度测量的保障,这是PT100应用广泛的原因之一。

温度测量:如何消除线阻抗引入的误差?

图1 PT100曲线

PT100可作为高精度测温传感器,功能优异,但是在工业环境复杂的情况下,传感器冗长的导线会带来线阻抗,这对于0.385Ω/℃,若想保证0.1度的精度,即需要保证线阻抗引来的误差必须小于38.5mΩ,而为了不引入传感器PT100自身热效应带来的误差,PT100的恒流源电流一般设置在0.1mA~1mA,若恒流源设置在1mA,由式1.1计算可得,误差电压须小于38.5uV,这是排除噪声影响下的估算。

温度测量:如何消除线阻抗引入的误差?(1.1)

因此,想要得到高精度测温效果,必须消除传感器线阻抗带来的误差影响,行业内一般接线有三种方式,如表1。

表1 PT100通用接法

温度测量:如何消除线阻抗引入的误差?

由表1可以看出,两线制接法线阻抗误差最大,且无法排除;四线制接法也称开尔文氏接法,最为精准且简单,但是需要接口资源比较多;三线制接法可以通过计算排除线误差,节约接口资源,但是需要三根线等阻抗,这也是比较容易实现的。

针对复杂的工业环境,客户对于高精度测温产品的需求,ZLG致远电子推出一款双通道高精度热电阻PT100隔离测温模块TPS02R,可以实现在-200℃~850℃的区间内测量精度为0.02%±0.1℃,10ppm低温漂指标。

温度测量:如何消除线阻抗引入的误差?

图2 三线制接法运用

如图2,三线制接法采集电压信号,由后端PGA提供增益放大,经ADC模数转换,输出数字信号给MCU处理,由于A,B,C三线均存在线阻抗RL1,RL2,RL3。这里可以通过安装标准三线制PT100,可保证:

温度测量:如何消除线阻抗引入的误差?(1.2)

恒流源流经共模电阻R,为ADC提供一定的共模电压,ADC差分输入通道分别测量AB,AC两端电压温度测量:如何消除线阻抗引入的误差?,温度测量:如何消除线阻抗引入的误差?。已知:

温度测量:如何消除线阻抗引入的误差?(1.3)

结合式1.2,经过计算处理:

温度测量:如何消除线阻抗引入的误差?(1.4)

通过式1.4,可以得到完全消除线阻抗误差的PT100测量值,实现高精度温度测量。三线制接法可以在实现与四线制相同测量精度的同时,节省出一个接线端子,这对于对用户开发小型化产品优势很大,三线制接法只要保证A,B,C等阻抗,即可保证线阻抗的引入误差基本可忽略不计。

ZLG致远电子TPS02R在三线制接法的基础上,对恒流源做优化处理,利用运放负反馈原理,提高恒流源稳定性,并为ADC输入提供一定共模电压,为ADC差分测量提供保证,并赋予监测报警功能。具体测量数据如表2。

表2 ZLG测温方案验证数据

温度测量:如何消除线阻抗引入的误差?

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