传感器相关资料大全PT100温度传感器的正温度系数补偿

传感器相关资料大全PT100温度传感器的正温度系数补偿 PT100 温度传感器的正温度系数补偿摘要:本文回顾了通用温度传感器的主要特 性，重点介绍 RTD PT100 温度传感器，并提供了一种简单的方法对 PT100 输出 信号进行线性化处理和调理。温度是非常重要的物理参数，热电偶和热敏电阻RTD 适合大多数高温测量，但设计人员必须为特定的应用选择恰当的传感器，表 1 提供 了常用传感器的选择指南。表 1. 传感器特性Feature Thermocouple RTDResponse time BetterMaximum temperature HigherRuggedness BetterCost efficiency BetterAccuracy BetterLong-term stability BetterStandardization BetterRTD 具有较高的 精度，工作温度范围:-200?C 至850?C。它们还具有较好的长期稳定性，利用适当 的数据处理设备就可以传输、显示并 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 其温度输出。因为热敏电阻的阻值和温度 呈正比关系，设计人员只需将已知电流流过该电阻就可以得到与温度成正比的输出 电压。根据已知的电阻-温度关系，就可以计算出被测温度值。电阻值随温度的变化 称为“电阻的温度系数”，绝大多数金属材料的温度系数都是正数，而且许多纯金属 材料的温度系数在一定温度范围内保持恒定。所以，热敏电阻是一种稳定的高精度、 并具有线性响应的温度检测器。具体应用中选用哪一种金属材料铂、铜、镍等取决 于被测温度范围。铂电阻在 0?C 的标称电阻值是 100，尽管 RTD 是一种标准化 器件，但在世界各地有多种不同的标准。这样，当同一标准的 RTD 用在不同标准 的仪表设计中时将会产生问题。表 2. 铂电阻 RTD 的公共标准 ALPHA α: Average NominalOrganization Standard Temperature Coefficient of Resistance at 0?C Resistance /?C British Standard BS 1904: 1984 0.003850 100Deutschen Institut für DIN 43760: 1980 0.003850 100NormungInternational IEC 751: 1995Electrotechnical 0.00385055 100 Amend. 2CommissionScientific Apparatus SAMA 0.003923 98.129Manufacturers of America RC-4-1966Japanese Standard JIS C1604-1981 0.003916 100American Society for ASTM E1137 0.00385055 100Testing and MaterialsSensing Devices Inc.生产满足上 述标准的铂电阻 RTD。铂金属的长期稳定性、可重复操作性、快速响应及较宽的工 作温度范围等特性使其能够适合多种应用。因此，铂电阻 RTD 是温度测量中最稳 定的标准器件。以下公式描述了 PT100 RTD 的特性，显然它的温度与电阻呈非线 性关系:RT R01 AT BT CT-100T其中:A 3.9083 E-3B -5.775 E-7C -4.183 E-12 低于 0?C 时或 0 高于 0?C 时。表 3 是表格形式。表 3. 电阻/温度表，385 铂电阻，0?C 时为 100.0?C 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9-100 60.26-90 64.3 63.89 63.49 63.08 62.68 62.28 61.87 61.46 61.06 60.66-80 68.32 67.92 67.52 67.12 66.72 66.31 65.91 65.51 65.1 64.7-70 72.33 71.93 71.53 71.13 70.73 70.33 69.93 69.53 69.13 68.73-60 76.33 75.93 75.53 75.13 74.73 74.33 73.93 73.53 73.13 72.73-50 80.31 79.91 79.51 79.12 78.72 78.32 77.92 77.52 77.12 76.73?C 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9-40 84.27 83.88 83.48 83.08 82.69 82.29 81.9 81.5 81.1 80.7-30 88.22 87.83 87.43 87.04 86.64 86.25 85.85 85.46 85.06 84.67-20 92.16 91.77 91.37 90.98 90.59 90.19 89.8 89.4 89.01 88.62-10 96.09 95.69 95.3 94.91 94.52 94.12 93.73 93.34 92.95 92.550 100 99.61 99.22 98.83 98.44 98.04 97.65 97.26 96.87 96.48?C 0 1 2 3 4 5 6 7 8 90 100 100.39 100.78 101.17 101.56 101.95 102.34 102.73 103.12 103.5110 103.9 104.29 104.68 105.07 105.46 105.85 106.24 106.63 107.02 107.420 107.79 108.18 108.57 108.96 109.34 109.73 110.12 110.51 110.9 111.2830 111.67 112.06 112.45 112.83 113.22 113.61 113.99 114.38 114.77 115.1540 115.54 115.92 116.31 116.7 117.08 117.47 117.85 118.24 118.62 119.01?C 0 1 2 3 4 5 6 7 8 950 119.4 119.78 120.16 120.55 120.93 121.32 121.7 122.09 122.47 122.8660 123.24 123.62 124.01 124.39 124.77 125.16 125.54 125.92 126.31 126.6970 127.07 127.45 127.84 128.22 128.6 128.98 129.36 129.75 130.13 130.5180 130.89 131.27 131.66 132.04 132.42 132.8 133.18 133.56 133.94 134.3290 134.7 135.08 135.46 135.84 136.22 136.6 136.98 137.36 137.74 138.12?C 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9100 138.5 138.88 139.26 139.64 140.02 140.4 140.77 141.15 141.53 141.91110 142.29 142.66 143.04 143.42 143.8 144.18 144.55 144.93 145.31 145.68120 146.06 146.44 146.82 147.19 147.57 147.94 148.32 148.7 149.07 149.44130 149.82 150.2 150.70 150.95 151.33 151.7 152.08 152.45 152.83 153.2140 153.70 153.95 154.32 154.7 155.07 155.45 155.82 156.2 156.57 156.94?C 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9150 157.32 157.69 170.06 170.44 170.81 159.18 159.56 159.93 160.3 160.67160 161.04 161.42 161.79 162.16 162.53 162.9 163.28 163.65 164.02 164.39170 164.76 165.13 165.5 165.88 166.24 166.62 166.99 167.32 167.73 168.1180 168.47 168.84 169.21 169.70 169.95 170.32 170.68 171.05 171.42 171.79190 172.16 172.53 172.9 173.27 173.64 174 174.37 174.74 175.11 175.48?C 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9200 175.84RTD PT100 表显示了电阻与温 度之间的对应关系。图 1. 2 线连接时，由于引线电阻与 RTD 串联，增大了电阻， 会最终影响测量精度。图 2. 为 RTD 额外增加了第 3 条线，能够对线电阻进行补 偿。引线电阻具有相同特性。图 3. 3 线方案可以实现 Kelvin 检测，消除了两条连 线的压差。具体应用中，PT100 RTD 的连接方式可以采用 2 线、3 线或 4 线制图 1、2 和 3。有多种模拟和数字的方法进行 PT100 RTD 的非线性误差补偿，例如， 可以利用查表法或上述公式实现数字非线性补偿。查表法是将代表铂电阻阻值与温 度对应关系的一个表格存储在 P 内存区域，利用这个表格将一个测量的 PT100电 阻值转换为对应的线性温度值。另一种方法是根据实际测量的电阻值，采用以上公 式直接计算相关的温度。查表法只能包含有限的电阻/温度对应值，电路的复杂程度 取决于精度和可用内存的空间。为了计算某一特定的温度值，需要首先确认最接近 的两个电阻值一个低于 RTD 测量值，一个高于 RTD 测量值，然后用插值法确定 测量温度值。例如:如果测试的电阻值等于 109.73，假设查询表格精度为 10?C， 那么两个最接近的值是 107.79 20?C和 111.67 30?C。综合考虑这三个数据，利用下 式进行计算:以上数字补偿的方法需要微处理器P的支持，但是采用图 4 的简单模 拟电路可以获得高精度的非线性补偿。该电路在-100?C 时输出电压为 0.97V，200?C 时为 2.97V。实现更宽范围的测量时，例如:-100mV -100?C到 200mV 200?C， 需要增加合适的增益调节量程电路和偏移失调控制。图 4. 该模拟电路对 RTD 进 行线性化补偿。这种方法利用电阻 R2 的少量正反馈作用实现 PT100 的非线性补 偿，该反馈环路对应于较高的 PT100 阻值时输出电压略有提高，有助于传输函数 的线性化处理:图 5 表示 PT100 实际输出和最接近的直线:y ax b，图 6 画 出了经过模拟非线性补偿的 PT100 输出和其最接近的直线。每个图都给出了温度 和电阻之间的关系式，与图 4 电路的输出计算值相比较。图 7、图 8 所示为PT100 在补偿前和补偿后的误差。图 5. PT100 的原始输出与其近似直线图 6. 经过模拟补 偿的 PT100 输出与其近似直线。图 7. 归一化误差，表示温度变化时 PT100 原始 输出于其近似直线之间的偏差。图 8. 归一化误差，表示经过图 4 电路线性化补偿 后，温度变化时 PT100 输出于其近似直线之间的偏差。对图7、图 8 进行归一化 处理有助于观察图 4 电路的性能。在实际应用中我们常常需要校准模拟温度计，但 一定要尽量减少调节和控制环节，通常只需在两个 PT100 点校准零点失调和满量 程误差。这种方法需要保证 PT100 的电阻和温度呈线性关系，但实际情况并非如 此。如果只在 PT100 阻值和温度之间对传输函数进行线性补偿，上述模拟补偿方式可有效降低 80的误差。需要注意的是，PT100 较低的功耗0.2mW 至 0.6mW能够减小传感器自身的发热。因此，采用模拟方法实现 PT100的非线性补偿很容易实现与?200mV 面板表的连接，不需要任何额外的软件开销。图 9. 数字方案:ADC 在 P 控制下将 RTD 输出转换成数字量，然后，通过查找表由 P 计算相应的温度。数字非线性补偿电路图 9由 RTD、误差放大器、电流源以及 P 控制的 ADC 组成。通过向热敏电阻注入 1mA至 2mA 的电流，然后测量它在热敏电阻上产生的电压进行温度测量。采用大的注入电流会导致功率耗散增大，使传感器自身发热、导致测量误差增大。图中模数转换器内部的 4.096V 电压基准简化了电流激励源的设计。为了减小导线电阻对测量精度的影响，采用四条独立的导线连接 RTD 和差分放大器。因为采用了高输入阻抗运算放大器，所以导线电阻引入的电压跌落几乎为零。按照 4096mV 的基准电压和 3.3k 的反馈电阻，激励电流近似等于 4096mV/3.3k 1.24mA。 因为采用同一个基准电压源驱动 ADC 和电流源，所以基准源的温漂误差不会影响测量结果。如果配置 MAX197 的输入范围为 0V 至 5V，并且设置差分放大器增益等于 10，可以测量的最大阻值为 400，对应的最高检测温度为800?C。P 也可以同时使用查表法对传感器测量信号进行线性化处理，采用两个精密电阻替换图中的 RTD 0?C 时采用 100，满量程或更高时采用 300，可以对该电路进行校准。