溫度測(cè)量時(shí)如何消除線阻抗引入的誤差？

工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜，傳感器距離控制器往往很遠(yuǎn)，對(duì)于測(cè)溫傳感器PT100，傳感器阻值變化0.385Ω/℃，因此過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)線的線阻抗不可忽視，消除導(dǎo)線引來(lái)的測(cè)量誤差，是提高PT100測(cè)量精度必須解決的問(wèn)題。

摘要

工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜，傳感器距離控制器往往很遠(yuǎn)，對(duì)于測(cè)溫傳感器PT100，傳感器阻值變化0.385Ω/℃，因此過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)線的線阻抗不可忽視，消除導(dǎo)線引來(lái)的測(cè)量誤差，是提高PT100測(cè)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(shù)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(cè)對(duì)象的溫度每上升1℃，PT100的阻值隨之增加0.385

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

圖1.1  PT100曲線

PT100可作為高精度測(cè)溫傳感器，功能優(yōu)異，但是在工業(yè)環(huán)境復(fù)雜的情況下，傳感器冗長(zhǎng)的導(dǎo)線會(huì)帶來(lái)線阻抗，這對(duì)于0.385

，若想保證0.1度的精度，即需要保證線阻抗引來(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(yīng)帶來(lái)的誤差，PT100的恒流源電流一般設(shè)置在0.1mA~1mA，若恒流源設(shè)置在1mA，由式1.1計(jì)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(cè)溫效果，必須消除傳感器線阻抗帶來(lái)的誤差影響，行業(yè)內(nèi)一般接線有三種方式，如表1.1。

表1.1  PT100通用接法

由表1.1可以看出，兩線制接法線阻抗誤差最大，且無(wú)法排除；四線制接法也稱開(kāi)爾文氏接法，最為精準(zhǔn)且簡(jiǎn)單，但是需要接口資源比較多；三線制接法可以通過(guò)計(jì)算排除線誤差，節(jié)約接口資源，但是需要三根線等阻抗，這也是比較容易實(shí)現(xiàn)的。

針對(duì)復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境，客戶對(duì)于高精度測(cè)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(cè)溫模塊TPS02R，可以實(shí)現(xiàn)在-200℃~850℃的區(qū)間內(nèi)測(cè)量精度為0.02%

0.1℃，10ppm低溫漂指標(biāo)。

圖1.2  三線制接法運(yùn)用。

如圖1.2，三線制接法采集電壓信號(hào)，由后端PGA提供增益放大，經(jīng)ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換，輸出數(shù)字信號(hào)給MCU處理，由于A,B,C三線均存在線阻抗

，

，

。這里可以通過(guò)安裝標(biāo)準(zhǔn)三線制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(cè)量AB，AC兩端電壓

。已知

                             （1.3）

結(jié)合式1.2，經(jīng)過(guò)計(jì)算處理

                             （1.4）

通過(guò)式1.4，可以得到完全消除線阻抗誤差的PT100測(cè)量值，實(shí)現(xiàn)高精度溫度測(cè)量。三線制接法可以在實(shí)現(xiàn)與四線制相同測(cè)量精度的同時(shí)，節(jié)省出一個(gè)接線端子，這對(duì)于對(duì)用戶開(kāi)發(fā)小型化產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)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(jì)。

我司TPS02R在三線制接法的基礎(chǔ)上，對(duì)恒流源做優(yōu)化處理，利用運(yùn)放負(fù)反饋原理，提高恒流源穩(wěn)定性，并為ADC輸入提供一定共模電壓，為ADC差分測(cè)量提供保證，并賦予監(jiān)測(cè)報(bào)警功能。具體測(cè)量數(shù)據(jù)如表1.2

表1.2 我司測(cè)溫方案驗(yàn)證數(shù)據(jù)