溫度測量時(shí)如何消除線(xiàn)阻抗引入的誤差？

工業(yè)現場(chǎng)環(huán)境復雜，傳感器距離控制器往往很遠，對于測溫傳感器PT100，傳感器阻值變化0.385Ω/℃，因此過(guò)長(cháng)導線(xiàn)的線(xiàn)阻抗不可忽視，消除導線(xiàn)引來(lái)的測量誤差，是提高PT100測量精度必須解決的問(wèn)題。

摘要

工業(yè)現場(chǎng)環(huán)境復雜，傳感器距離控制器往往很遠，對于測溫傳感器PT100，傳感器阻值變化0.385Ω/℃，因此過(guò)長(cháng)導線(xiàn)的線(xiàn)阻抗不可忽視，消除導線(xiàn)引來(lái)的測量誤差，是提高PT100測量精度必須解決的問(wèn)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(guān)的變化，如圖1.1，被測對象的溫度每上升1℃，PT100的阻值隨之增加0.385

，在-200℃~850℃的區間內，鉑熱電阻PT100良好的線(xiàn)性度，為開(kāi)發(fā)者開(kāi)發(fā)提供了高精度測量的保障，這是PT100應用廣泛的原因之一。

圖1.1  PT100曲線(xiàn)

PT100可作為高精度測溫傳感器，功能優(yōu)異，但是在工業(yè)環(huán)境復雜的情況下，傳感器冗長(cháng)的導線(xiàn)會(huì )帶來(lái)線(xiàn)阻抗，這對于0.385

，若想保證0.1度的精度，即需要保證線(xiàn)阻抗引來(lái)的誤差必須小于38.5

，而為了不引入傳感器PT100自身熱效應帶來(lái)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(xiàn)阻抗帶來(lái)的誤差影響，行業(yè)內一般接線(xiàn)有三種方式，如表1.1。

表1.1  PT100通用接法

由表1.1可以看出，兩線(xiàn)制接法線(xiàn)阻抗誤差最大，且無(wú)法排除；四線(xiàn)制接法也稱(chēng)開(kāi)爾文氏接法，最為精準且簡(jiǎn)單，但是需要接口資源比較多；三線(xiàn)制接法可以通過(guò)計算排除線(xiàn)誤差，節約接口資源，但是需要三根線(xiàn)等阻抗，這也是比較容易實(shí)現的。

針對復雜的工業(yè)環(huán)境，客戶(hù)對于高精度測溫產(chǎn)品的需求，我司推出一款雙通道高精度熱電阻PT100隔離測溫模塊TPS02R，可以實(shí)現在-200℃~850℃的區間內測量精度為0.02%

0.1℃，10ppm低溫漂指標。

圖1.2  三線(xiàn)制接法運用。

如圖1.2，三線(xiàn)制接法采集電壓信號，由后端PGA提供增益放大，經(jīng)ADC模數轉換，輸出數字信號給MCU處理，由于A(yíng),B,C三線(xiàn)均存在線(xiàn)阻抗

，

，

。這里可以通過(guò)安裝標準三線(xiàn)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量AB，AC兩端電壓

。已知

                             （1.3）

結合式1.2，經(jīng)過(guò)計算處理

                             （1.4）

通過(guò)式1.4，可以得到完全消除線(xiàn)阻抗誤差的PT100測量值，實(shí)現高精度溫度測量。三線(xiàn)制接法可以在實(shí)現與四線(xiàn)制相同測量精度的同時(shí)，節省出一個(gè)接線(xiàn)端子，這對于對用戶(hù)開(kāi)發(fā)小型化產(chǎn)品優(yōu)勢很大，三線(xiàn)制接法只要保證A，B，C等阻抗，即可保證線(xiàn)阻抗的引入誤差基本可忽略不計。

我司TPS02R在三線(xiàn)制接法的基礎上，對恒流源做優(yōu)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1.2

表1.2 我司測溫方案驗證數據