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鉑熱電阻溫度傳感器是如何�(cè)溫的�

鉑熱電阻溫度傳感器是如何�(cè)溫的�

來源�本站 �(diǎn)擊: �(fā)布時(shí)間:2021-10-10 08:45:21

鉑熱電阻溫度傳感�

根據(jù)溫度不同電阻不同。將鉑電阻接入電路中,通過觀察電流的變化就可以知道電阻的變化。在把不同溫度下的電流都記錄下來,繪出溫�-電阻�,就可以在知道電阻的情況�,推�(cè)出溫度的�(shù)��

  

工作原理

與熱敏電阻相�,鉑熱電阻溫度傳感器(RTD)也是用鉑制成的熱敏感電�。當(dāng)通過�(cè)量電壓計(jì)算RTD 溫度�(shí),數(shù)字萬用表用已知電流源�(cè)量該電流源所�(chǎn)生的電壓。這一電壓為兩條引線(Vlead)上的壓降加RTD上的電壓(Vtemp)。例�,常用RTD 的電阻為100Ω,每1℃僅�(chǎn)�0.385Ω的電阻變�。如果每條引線有10Ω電阻,就將造成26℃的�(cè)量誤�,這是不可接受�。所以應(yīng)�(duì)RTD�4線歐姆測(cè)��

RTD是精que和穩(wěn)定的溫度傳感�,它的線性度�(yōu)于熱偶和熱敏電阻。但RTD也是慢和貴的溫度傳感�。因此RTD適合�(duì)精度有嚴(yán)格要�,而速度和價(jià)格不太關(guān)鍵的�(yīng)用領(lǐng)��

  

�(yīng)用范�

鉑熱電阻溫度傳感器是用來�(cè)量空氣、土壤和水的溫度傳感�。該傳感器由精密�(jí)鉑熱電阻元件和經(jīng)特殊工藝處理的防�(hù)套組成,并用四芯屏蔽信號(hào)電纜線從敏感元件引出用于�(cè)�,通常可以采用四線�(cè)量法�(cè)�,以減少�(dǎo)線電阻引起的�(cè)量誤�。鉑熱電阻溫度傳感器具有的可互換性和�(zhǎng)期穩(wěn)定�,廣泛應(yīng)用于氣象和環(huán)保等部門�

  

主要�(yōu)�(diǎn)

廣泛的溫度測(cè)量范圍:由于鉑的特性穩(wěn)�,不�(huì)因高低溫而引起物理或化學(xué)變化�

鉑熱電阻溫度傳感器是利用其電阻與溫度成一定函�(shù)�(guān)系而制成的溫度傳感�。由于鉑電阻的特性曲線是非線性的,標(biāo)�(zhǔn)的電阻與溫度�(guān)系是以分度表的形式給出的,同�(shí)用電�-溫度多項(xiàng)式函�(shù)R(t)表示。但在實(shí)際測(cè)量中,使用溫�-電阻函數(shù)T(r)更便于�(cè)量與�(jì)�。介紹了一種使用三次基本樣條曲線擬合,獲得溫度-電阻多項(xiàng)式函�(shù)T(r)的方法。實(shí)際使用表�,此方法的計(jì)算速度快,�(chǎn)生的誤差較小,可以很好地提高溫度�(cè)控系�(tǒng)的運(yùn)行速度和控制精��

鉑電阻傳感器有良好的�(zhǎng)期穩(wěn)定�,典型實(shí)�(yàn)�(shù)�(jù)為:�400℃時(shí)持續(xù)300小時(shí)�0℃時(shí)的溫度漂移為0.02��

  

鉑熱電阻溫度傳感器在防護(hù)�(shè)備里�(jīng)常用��

處理措施

1、減少鉑熱電阻溫度傳感器保護(hù)管的輻射系數(shù)�

2、增加被�(cè)介質(zhì)的循�(huán),在工作壓力許可的情況下,盡量使鉑電阻與被測(cè)介質(zhì)間的�(duì)流傳熱增��

3、盡可能減少鉑電阻保�(hù)管的外徑�

4、增加鉑電阻的插入深度,使其受熱部分加長(zhǎng)�

5、對(duì)響應(yīng)�(shí)間要求不高的,可盡量采用熱傳�(dǎo)系數(shù)較小的材料做保護(hù)管;

6、對(duì)熱響�(yīng)�(shí)間要求比較高的,則盡可能選用熱傳�(dǎo)系數(shù)大的保護(hù)�,依�(shí)際使用情況加以取��

除上述外,在使用鉑熱電阻溫度傳感器時(shí),還�(yīng)注意感溫元件之間(雙支結(jié)�(gòu))和感溫元件與大地之間應(yīng)各有良好的絕�,不然會(huì)直接影響�(cè)量結(jié)果的�(zhǔn)確性,甚至?xí)绊懙絻x表的正常�(yùn)�。總�,在�(yīng)用鉑熱電阻溫度傳感器�(jìn)行測(cè)溫時(shí),首先必須正確選型,合理的安裝和使用,盡可能的設(shè)法消除各種外界影�,減少附加誤�,達(dá)到準(zhǔn)確測(cè)量,�(jiǎn)便耐用的目��

 

鉑熱電阻溫度傳感器是如何�(cè)溫的

鉑熱電阻溫度傳感器作為一種高精度溫度傳感器廣泛用于氣�、汽車、航�、工�(yè)自動(dòng)化測(cè)量和各種�(shí)�(yàn)儀器儀表等�(lǐng)域。鉑熱電阻溫度傳感器的測(cè)溫原理是金屬鉑(PT)電阻值隨在環(huán)境溫度變化而變�,且其電阻值和溫度值之問有確定的函�(shù)�(guān)�,常見的類型是Pt100和Pt1000�

1 鉑熱電阻溫度傳感器的三種引線方式

根據(jù)�(cè)溫傳感器引線方式的不�,鉑電阻分為二線�、三線制和四線制三種,三種引線方式各有特�(diǎn),二線制引線方式具有引線�(jiǎn)�,但存在的問題是�(cè)量誤差較�,在�(cè)量中不可避免的引入線電阻誤差,僅適合于測(cè)量精度要求不高的�(chǎng)合�

三線制引線方式采用一端引線為兩根�,另一端引線為一根的方式,工�(yè)上一般都采用三線制接�,三線引線方式引出的3根導(dǎo)線截面積和長(zhǎng)度均相同,通常三線制電阻采用不平衡電橋法�(jìn)行測(cè)量,在測(cè)量時(shí)可以消除�(nèi)引線電阻的影�,測(cè)量精度高于兩線制�

四線制引線方式中有兩根線為供電電源線,另外兩根為信號(hào)�。電源和信號(hào)是分開工作的,該方法可以有效的去除線電阻。如果待�(cè)電阻的阻值與�(dǎo)線電阻相�(dāng)甚至�(yuǎn)小于�(dǎo)線電阻時(shí)就只能采用四線制的測(cè)量方�。該方法�(cè)量精度較高,但該方法需要傳感器�(chǎn)�4根引�,在�(zhǎng)距離傳輸過程中會(huì)增加成本以及整�(gè)�(cè)試系�(tǒng)的重�,不能滿足某些特殊行�(yè)要求,主要用于高精度的溫度檢�(cè)�

2 兩線制鉑電阻�(cè)量電�

在鉑熱電阻溫度傳感器�(cè)量系�(tǒng)�,�?;菟固仉姌虿黄胶鈺r(shí)的輸出電壓Vo來計(jì)算鉑電阻�,本系統(tǒng)中兩線制鉑電阻的采集電路如圖1所��

 

I為恒壓源,R為限流電�,被�(cè)電阻為Rt,線電阻為r,測(cè)試電路如�1所�。按照歐姆定律計(jì)算可知:

上式�,RT:被�(cè)鉑電阻傳感器電阻�;r:傳感器引線電阻值;k:運(yùn)算放大器線性放大系�(tǒng)(通常由增益電阻Rg�(shè)定);VOUT:運(yùn)算放大器輸出電壓��

從(2)式中可以看�,用兩線制傳�,會(huì)帶來2r的測(cè)量誤差。測(cè)量系�(tǒng)中用的傳輸線每米電阻約為0.061 Ω�2r�0.122 Ω。假�(shè)系統(tǒng)中測(cè)量電阻與�(cè)量電路的引線�50 m�(zhǎng),則引線電阻�(chǎn)生的誤差將達(dá)�3.05 Ω,即溫度�(cè)量誤差將�(dá)�7.6℃(系統(tǒng)中鉑電阻每變�1℃時(shí)的電阻變化約�0.398 Ω左右)�

可見,在�(cè)量系�(tǒng)與傳感器之間距離較遠(yuǎn)�(shí),則線電阻r�(duì)鉑電阻采集精度的影響非常�,因此兩線制鉑電阻僅適合于引線距離比較近,測(cè)量精度要求一般的�(chǎng)��

3 三線制電阻測(cè)量電�

3.1 惠斯通電橋(Wheatstone Bridge�

 

�(dāng)電阻橋達(dá)到平�,由式(3)可以看出,這時(shí)無論激�(lì)源是電流型還是電源型,也無論激�(lì)源的大小,V0均輸出為�。因�,如果R2/R3是一�(gè)固定系數(shù)K,則�(dāng)R1=K×R4�(shí),電�?qū)⑦_(dá)到平�,即有:Vo=0�

這種平衡值測(cè)量方法通常用在反饋控制系統(tǒng)�,當(dāng)橋臂上的電阻即使呈現(xiàn)非常微小的變化也�(huì)反映在輸出電壓的改變,通過�(jiān)�(cè)橋是否平衡可以實(shí)�(shí)�(jiān)�(cè)傳感器監(jiān)�(cè)�(duì)象(�、溫度等)的變化情況。將電橋的輸出電壓VO做為�(zhí)行機(jī)�(gòu)的反饋信�(hào),實(shí)�(shí)�(jiān)�(cè)�(zhí)行偏�,不斷修正執(zhí)行指令。常用于力矩�(cè)�、電熱調(diào)節(jié)控制器領(lǐng)��

通常情況�,我們認(rèn)為激�(lì)源VR是一�(gè)固定�,由式(1)可以看出,橋輸出電壓VO的大小與激�(lì)電源VR呈線性比例關(guān)�,因此該�(cè)量系�(tǒng)的精度永�(yuǎn)不可能比激�(lì)電源的精度高�

3.2 三線制引線非平衡電橋�(cè)量電�

由惠斯特電橋理論可知,若電橋工作�(shí),電橋的4�(gè)橋臂上有1�(gè)�(fā)生了變化,即R1�?yōu)镽�=R1 △r,那么惠斯特電橋的平衡就�(huì)被打�,即�2�,則A、B間存在一定的電勢(shì)差UL,則稱此電橋?yàn)榉瞧胶怆姌颍从蠽O=UL�0�

利用非平衡電橋原理。將各種電阻型傳感器RT接入電橋回路,橋路的非平衡電壓就能反映出橋臂電阻的微小變�,因此,就可以檢�(cè)出外界物理量的變化(溫度、壓力等�,R是測(cè)量系�(tǒng)選定的精密橋臂電�,RT為被�(cè)電阻�

 

兩條輸入端接入高輸入阻抗的運(yùn)算放大器,這樣由偏置電流在線電阻上引起的壓降會(huì)降到�,這樣�(huì)限度的減小漏電流,按照基爾霍夫電流電壓定律可知:

由公式(4)可以看出在此測(cè)量系�(tǒng)�,當(dāng)RT》R�(shí),因橋臂的輸出電壓VOUT為負(fù)值,因此為保證VOUT一直輸出為�,則該測(cè)量系�(tǒng)橋臂電阻值R�(yīng)�(dāng)大于被測(cè)電阻RT的上限電阻值,以PT1000為例�0℃時(shí)其電阻值為1 000 Ω,其電阻有效變化范圍�803 Ω�2 120 Ω(即溫度變化范圍�-50℃~300℃),則橋臂電阻R的應(yīng)�(dāng)選取大于其鉑電阻值的變化上限�2120 Ω�,在本例�,橋臂電阻R選取2 700 Ω,完全滿足測(cè)量需求且不會(huì)�(fā)生溢出現(xiàn)��

在激�(lì)電流源為典型�1 mA的條件下,此�(shí)VAB的變化范圍為153�575mV,AMP為TI公司的高精度�(yùn)算放大器AD620,AD620采用差分放大器將橋臂輸出的電壓差�(zhuǎn)換為單端電壓并�(jìn)行放大,其差分放大器的失�(diào)電壓很小,消除失�(diào)意味著輸出端微小差分信號(hào)得到放大而失�(diào)電壓不被放大,其增益電阻選擇阻值為5 kΩ的高精度電阻,則�(yùn)算放大器增益為k=10.88,則通過公式�4)計(jì)算可知,VOUT有效輸出電壓范圍�1.667�6.259 V�

3.2.1 傳感器異常情況下采集�(jié)�

在鉑電阻�(cè)溫系�(tǒng)�,鉑電阻傳感器的工作�(huán)境通常比較惡劣,從傳感器引線端到測(cè)量系�(tǒng)的引線通常�(dá)十余米,在設(shè)�(jì)�(shí)�(duì)引線的保�(hù)也非常重�,要避免出現(xiàn)斷開以及相互短路的現(xiàn)象發(fā)�,在某些特殊�(lǐng)域(例如航空工業(yè)、石油勘探),系�(tǒng)要求�(dāng)出現(xiàn)類似的故障時(shí)�(cè)量系�(tǒng)�(yīng)�(dāng)能夠主動(dòng)�(shí)�,要求系�(tǒng)具有告警能力�

3.2.1.1 在傳感器開路情況

傳感器開路,�(duì)于測(cè)試系�(tǒng)可以分為以下幾種情況來分��

由上�1可知,當(dāng)傳感器出�(xiàn)了開路故�,運(yùn)算放大器的輸出電壓VOUT=13.6 V或VOUT=-12.7 V,即在傳感器開路條件下,�(yùn)算放大器�(jìn)入飽和狀�(tài);而在傳感器正常工作條件下,運(yùn)算放大器的輸出電壓VOUT均在正常放大區(qū)�(nèi)�

3.2.1.2 在傳感器短路情況

通常情況下鉑電阻傳感器不�(huì)出現(xiàn)短路的情�,在使用不當(dāng),例如傳感器引線磨損�(dǎo)致線間短�,那么由式(4)可知�

此時(shí)VOUT輸出為運(yùn)算放大器正的飽和值(13.6V��

因Wire1�2本身就是從一端引�,故Wire1�2不存在短路故障狀�(tài)。由上表2可知,當(dāng)傳感器出�(xiàn)了短路故障,�(yùn)算放大器的輸出電壓VOUT=13.6 V,即在傳感器短路條件下,�(yùn)算放大器�(jìn)入飽和狀�(tài);而在傳感器正常工作條件下,運(yùn)算放大器的輸出電壓VOUT均在正常放大區(qū)�(nèi)�

3.2.1.3 在傳感器異常情況告警功能

通過分析了傳感器在開路、短路故障條件下�(yùn)算放大器的輸出電壓�,可以得出在此兩種情況下,運(yùn)算放大器的輸出為其飽和�,即開路、短路狀�(tài)與正常采集狀�(tài)沒有�(shù)�(jù)重疊區(qū),系�(tǒng)就可�(jù)此監(jiān)控傳感器是否正常工作。則本測(cè)量系�(tǒng)均可以識(shí)別出傳感器故�,該系統(tǒng)具有�(shí)�(shí)告警功能,可以將傳感器實(shí)�(shí)故障情況告知系統(tǒng)�

4 四線制引線測(cè)量電�

其中,Wire1和wire4是鉑電阻的恒流源回路,恒流源提供的電流不�(huì)受導(dǎo)線電阻和�(fù)載大小的影響;W2和W3是鉑電阻�2根測(cè)量信�(hào)線,因運(yùn)算放大器的輸入阻抗很大(10 GΩ�,則引線電阻的分壓可以忽�,因�,測(cè)量到的就是實(shí)際被�(cè)電阻�。因�,四線制接法能夠限度地降低測(cè)量噪�,提高測(cè)量精��

I為恒壓源,R為限流電�,被�(cè)電阻為Ri,線電阻為r,測(cè)試電路如�4所�。按照歐姆定律計(jì)算可知:

VOUT=k*I*RT �7�

上式�,RT:被�(cè)鉑電阻傳感器電阻�;k:運(yùn)算放大器線性放大系�(tǒng)(通常由增益電阻Rg�(shè)定);VOUT:運(yùn)算放大器輸出電壓��

從(8)式中可以看�,用四線制引線方式�(jìn)行采�,VOUT的輸出電壓與系統(tǒng)限流電阻R及引線電阻r的大小均無關(guān)�

可見,在�(cè)量系�(tǒng)與傳感器之間距離較遠(yuǎn)�(shí),則線電阻r�(duì)鉑電阻采集精度的影響非常�,因此兩線制鉑電阻僅適合于引線距離比較近,測(cè)量精度要求一般的�(chǎng)��