Parameter der Platin-Widerstand Sensoren PT100 und PT1000
Die Temperaturerkennung ist in unserem täglichen Leben und an Industriestandorten weit verbreitet. Die Genauigkeit von Temperatur messkreisen wird immer wichtiger. Wie kann die Genauigkeit von Temperatur messkreisen verbessert werden? In diesem Artikel wird als Beispiel die Temperaturmesslösung des PT100-Wärmewiderstand sensors verwendet. Ausgehend von den Auswahl parametern von Thermowiderständen werde ich kurz die Richtung zur Verbesserung der Temperaturmessgenauigkeit erläutern.
Der Platin-Wärmewiderstand weist eine gute Langzeitstabilität und Genauigkeit auf und ist ein häufig verwendetes Sensorelement für die industrielle Temperaturmessung. In den letzten Jahren hat das Dünnschichtdruck-Produktionsverfahren den Einsatz des Edelmetalls Platin reduziert, die Kosten für Platin-Wärmewiderstände sind erheblich gesunken und es hat nach und nach eine breite Anwendung gefunden. Achten Sie bei der Verwendung des Platin-Thermowiderstands mit der Folgeschaltung auf dessen drei Grundparameter: Nennwiderstand, Temperaturkoeffizient und Genauigkeitsgrad. Wir können über die Auswahl des Platin-Wärmewiderstands entscheiden. Das Verständnis der Umwandlung eigenschaften des Temperatur widerstands, des Messstroms und der Verdrahtungsmethoden kann uns dabei helfen, so wenig zusätzliche Schaltungsfehler wie möglich einzuführen und eine genaue Temperaturmessschaltung aufzubauen.
1. Nennwiderstand
Der Nennwiderstand ist der Widerstand wert des Platin-Thermo widerstandes beim Gefrierpunkt von 0°C. Am häufigsten wird PT100 mit einem Nennwiderstand von 100 Ω verwendet, außerdem gibt es PT200, PT500 und PT1000 mit Nennwiderständen von 200 Ω, 500 Ω und 1000 Ω.
2. Temperaturkoeffizient
Der Temperaturkoeffizient TCR ist die durchschnittliche Widerstandsänderung pro Temperatureinheit eines Platin-Wärmewiderstands zwischen dem Gefrierpunkt und dem Siedepunkt von Wasser. Verschiedene Organisationen verwenden unterschiedliche Temperaturkoeffizienten als Standards. Der von der europäischen IEC60751 und der chinesischen GB/T30121 angenommene Temperaturkoeffizient beträgt 0,003851. Der von ASTM E1137 in den Vereinigten Staaten angenommene Temperaturkoeffizient beträgt 0,003902, und 0,003851 ist derzeit der im Inland und in den meisten Ländern anerkannte Industriestandard.
Der Berechnungsprozess des Temperaturkoeffizienten ist wie folgt, am Beispiel von PT100.
TCR= (R100-R0)/(R0×100)
Der Widerstand wert R100 = 138,51 Ω, wenn der Siedepunkt 100 °C beträgt, und der Widerstand wert R0 = 100 Ω, wenn der Gefrierpunkt 0 °C beträgt. Teilen Sie die Differenz 38,51 durch den Nennwiderstand und dividieren Sie dann durch 100 °C. Das Ergebnis ist der durchschnittliche Temperaturkoeffizient.
3. Genauigkeitsstufe
IEC60751 legt den Genauigkeitsgrad und den zulässigen Fehler von Platin-Thermowiderständen fest. Am Beispiel des Platin-Wärmewiderstands der A-Klasse besteht der maximale Temperaturfehler aus zwei Teilen. Der durch die Abweichung des Nennwiderstandswerts bei 0℃ verursachte feste Fehler beträgt 0,15℃, plus der durch die Temperaturkoeffizienten drift verursachte Fehler beträgt 0,002×|T|. wobei T der tatsächliche Temperaturmessbereich ist. Wenn T den Anwendungstemperaturbereich von -30 bis +300 °C in der Genauigkeitsklassentabelle nicht überschreitet, überschreitet der thermische Widerstand des Platins nicht den zulässigen Fehler der Genauigkeitsklasse.
Wenn die gemessene Temperatur 100℃ beträgt, beträgt der Gesamtfehler des Platin-Wärmewiderstands der Klasse A 0,15+0,002×100=0,35℃. Bei der Auswahl eines Modells sind der Nennwiderstand, der Temperaturkoeffizient standard, die Genauigkeitsklasse und der Anwendungstemperaturbereich des Platin-Wärmewiderstands die Grundlage für unsere Auswahl.
4. Umrechnung eigenschaften des Temperatur widerstands
Die Temperatur widerstand umwandlung beziehung des thermischen Widerstands von Platin wird durch die folgende Formel beschrieben, die in zwei Situationen unterteilt ist: unter 0℃ und über 0℃.
Wenn T≤0℃: RT=R0• (1+A•T+B•T2+C• (T-100℃) •T3)
Wenn T≥0℃: RT=R0• (1+A•T+B•T2)
Dabei ist RT der Widerstand wert bei der Temperatur T und R0 der Widerstand wert bei 0 °C. A, B und C sind die drei in IEC60751 spezifizierten Konstanten und ihre Werte sind 3,9083×10-3 °C-1, -5,775×10-7 °C-2 und -4,183×10-12 °C -4 bzw. Die gemessene Temperatur T kann durch direktes Einsetzen des Widerstand werts RT in die Formel gelöst werden. Dazu ist jedoch die Lösung einer kubischen Gleichung erforderlich und die Berechnung ist kompliziert.
Um die Berechnung zu vereinfachen, verwenden Sie die Formel, um die Temperatur widerstandswert kurve von PT100 im Bereich von -200 bis +850 °C auszugeben, wie unten gezeigt. Der Widerstandswert von PT100 ändert sich im Bereich von 18 bis 400 Ω und weist eine annähernd lineare Beziehung zur Umwandlung des Temperatur widerstandswerts auf.
Wenn Sie die beiden Endpunkte -200 °C und +850 °C verwenden, um direkt eine lineare Zweipunktkalibrierung durchzuführen, versuchen Sie, die Berechnung zu vereinfachen. Die Temperatur widerstandswert kurve innerhalb des Temperaturbereichs ist wie unten dargestellt. Zu diesem Zeitpunkt übersteigt der maximale nichtlineare Fehler 16 Ω und der Fehler ist relativ groß.
Das Erstellen einer Temperatur widerstandswertta belle auf der Grundlage der Formel und das anschließende Durchführen einer linearen Interpolation im kleinen Bereich in der Nachschlagetabelle ist eine Methode, die sowohl einfach zu berechnen ist als auch eine genaue Näherung erzielen kann. Eine Nachschlagetabelle mit Temperatur widerstandswerten mit Intervallen von 1 °C ist in IEC60751 beigefügt.
5. Messen Sie den Strom
Platin-Widerstandsthermometer werden fast immer mit Gleichstromerregung gemessen. Beim Messen des Stroms entsteht zwangsläufig Wärme im Widerstand, was zu Selbsterwärmung fehlern führt. Das Handbuch zum Platin-Wärmewiderstand verfügt über zwei Parameter: Messstrom und Selbsterwärmung koeffizient. Der typische Messstrom I beträgt 0,3–1 mA und der Selbsterwärmung koeffizient S beträgt etwa 0,015℃/mW.
Der durch den Messstrom verursachte Temperaturfehler kann anhand des Selbsterwärmung koeffizienten gemäß der folgenden Formel berechnet werden.
ΔT = P×S=(I2×R) ×S
Wenn beispielsweise bei 1 mA der maximale Widerstand von PT100 400 Ω beträgt, beträgt die erzeugte Selbsterwärmung temperatur etwa 0,01 °C. In diesem Fall ist der Fehler nahezu vernachlässigbar. Wenn der Selbsterwärmung koeffizient des Platinwiderstands nicht beeinflusst wird, wird der Messstrom zunächst auf den Maximalwert eingestellt. Wenn der Strom zu klein ist, wird die Amplitude der Ausgangsspannung kleiner und das Signal-Rausch-Verhältnis sinkt. 1 mA ist ein häufig verwendeter Messstromwert.
6. Verkabelung methode
Zu den Ausgangsleitung methoden für den Platin-Wärmewiderstand gehören das Zweileitersystem, das Dreileitersystem und das Vierleitersystem. Der durch den Zweidrahtleitung widerstand verursachte Fehler kann nicht beseitigt werden. Das Vierleitersystem weist keinen Leitungswiderstand fehler auf, weist aber die größte Anzahl an Leitungen auf. Das Dreileitersystem basiert auf der Tatsache, dass die Widerstandswerte der drei Leitungen bei gleichen physikalischen Größen bedingungen gleich sind. Der Leitungsfehler kann durch Berechnung nach zweimaliger Messung des Widerstandswerts eliminiert werden, was die am häufigsten verwendete Methode ist.
Abbildung 5: Verdrahtung methode für Platin-Thermowiderstände
7. Zusammenfassung
Die Genauigkeit des Temperatur messkreises erfordert nicht nur die frühzeitige Auswahl des Wärmewiderstands, sondern auch die anschließende Optimierung des Hardwaredesigns und des Software algorithmus. Yaxun Electronics bietet das PT100-Schnittstellenmodul TPS02 mit einer Dreidraht schnittstelle für die Messung des Platin-Wärmewiderstands an. Es verfügt über einen hochstabilen Messkreis mit integrierter Erreger stromquelle, 24-Bit-ADC, Linearisierung algorithmus für den Widerstand temperaturwert und 2500 V elektrischer Isolierung. Der Temperaturwert kann über die digitale IIC-Schnittstelle abgelesen werden, indem ein Platin-Wärmewiderstand angeschlossen wird.
1. Nennwiderstand
Der Nennwiderstand ist der Widerstand wert des Platin-Thermo widerstandes beim Gefrierpunkt von 0°C. Am häufigsten wird PT100 mit einem Nennwiderstand von 100 Ω verwendet, außerdem gibt es PT200, PT500 und PT1000 mit Nennwiderständen von 200 Ω, 500 Ω und 1000 Ω.
2. Temperaturkoeffizient
Der Temperaturkoeffizient TCR ist die durchschnittliche Widerstandsänderung pro Temperatureinheit eines Platin-Wärmewiderstands zwischen dem Gefrierpunkt und dem Siedepunkt von Wasser. Verschiedene Organisationen verwenden unterschiedliche Temperaturkoeffizienten als Standards. Der von der europäischen IEC60751 und der chinesischen GB/T30121 angenommene Temperaturkoeffizient beträgt 0,003851. Der von ASTM E1137 in den Vereinigten Staaten angenommene Temperaturkoeffizient beträgt 0,003902, und 0,003851 ist derzeit der im Inland und in den meisten Ländern anerkannte Industriestandard.
Der Berechnungsprozess des Temperaturkoeffizienten ist wie folgt, am Beispiel von PT100.
Der Widerstand wert R100 = 138,51 Ω, wenn der Siedepunkt 100 °C beträgt, und der Widerstand wert R0 = 100 Ω, wenn der Gefrierpunkt 0 °C beträgt. Teilen Sie die Differenz 38,51 durch den Nennwiderstand und dividieren Sie dann durch 100 °C. Das Ergebnis ist der durchschnittliche Temperaturkoeffizient.
3. Genauigkeitsstufe
IEC60751 legt den Genauigkeitsgrad und den zulässigen Fehler von Platin-Thermowiderständen fest. Am Beispiel des Platin-Wärmewiderstands der A-Klasse besteht der maximale Temperaturfehler aus zwei Teilen. Der durch die Abweichung des Nennwiderstandswerts bei 0℃ verursachte feste Fehler beträgt 0,15℃, plus der durch die Temperaturkoeffizienten drift verursachte Fehler beträgt 0,002×|T|. wobei T der tatsächliche Temperaturmessbereich ist. Wenn T den Anwendungstemperaturbereich von -30 bis +300 °C in der Genauigkeitsklassentabelle nicht überschreitet, überschreitet der thermische Widerstand des Platins nicht den zulässigen Fehler der Genauigkeitsklasse.
Wenn die gemessene Temperatur 100℃ beträgt, beträgt der Gesamtfehler des Platin-Wärmewiderstands der Klasse A 0,15+0,002×100=0,35℃. Bei der Auswahl eines Modells sind der Nennwiderstand, der Temperaturkoeffizient standard, die Genauigkeitsklasse und der Anwendungstemperaturbereich des Platin-Wärmewiderstands die Grundlage für unsere Auswahl.
4. Umrechnung eigenschaften des Temperatur widerstands
Die Temperatur widerstand umwandlung beziehung des thermischen Widerstands von Platin wird durch die folgende Formel beschrieben, die in zwei Situationen unterteilt ist: unter 0℃ und über 0℃.
Wenn T≤0℃: RT=R0• (1+A•T+B•T2+C• (T-100℃) •T3)
Wenn T≥0℃: RT=R0• (1+A•T+B•T2)
Dabei ist RT der Widerstand wert bei der Temperatur T und R0 der Widerstand wert bei 0 °C. A, B und C sind die drei in IEC60751 spezifizierten Konstanten und ihre Werte sind 3,9083×10-3 °C-1, -5,775×10-7 °C-2 und -4,183×10-12 °C -4 bzw. Die gemessene Temperatur T kann durch direktes Einsetzen des Widerstand werts RT in die Formel gelöst werden. Dazu ist jedoch die Lösung einer kubischen Gleichung erforderlich und die Berechnung ist kompliziert.
Um die Berechnung zu vereinfachen, verwenden Sie die Formel, um die Temperatur widerstandswert kurve von PT100 im Bereich von -200 bis +850 °C auszugeben, wie unten gezeigt. Der Widerstandswert von PT100 ändert sich im Bereich von 18 bis 400 Ω und weist eine annähernd lineare Beziehung zur Umwandlung des Temperatur widerstandswerts auf.
Wenn Sie die beiden Endpunkte -200 °C und +850 °C verwenden, um direkt eine lineare Zweipunktkalibrierung durchzuführen, versuchen Sie, die Berechnung zu vereinfachen. Die Temperatur widerstandswert kurve innerhalb des Temperaturbereichs ist wie unten dargestellt. Zu diesem Zeitpunkt übersteigt der maximale nichtlineare Fehler 16 Ω und der Fehler ist relativ groß.
Das Erstellen einer Temperatur widerstandswertta belle auf der Grundlage der Formel und das anschließende Durchführen einer linearen Interpolation im kleinen Bereich in der Nachschlagetabelle ist eine Methode, die sowohl einfach zu berechnen ist als auch eine genaue Näherung erzielen kann. Eine Nachschlagetabelle mit Temperatur widerstandswerten mit Intervallen von 1 °C ist in IEC60751 beigefügt.
5. Messen Sie den Strom
Platin-Widerstandsthermometer werden fast immer mit Gleichstromerregung gemessen. Beim Messen des Stroms entsteht zwangsläufig Wärme im Widerstand, was zu Selbsterwärmung fehlern führt. Das Handbuch zum Platin-Wärmewiderstand verfügt über zwei Parameter: Messstrom und Selbsterwärmung koeffizient. Der typische Messstrom I beträgt 0,3–1 mA und der Selbsterwärmung koeffizient S beträgt etwa 0,015℃/mW.
ΔT = P×S=(I2×R) ×S
Wenn beispielsweise bei 1 mA der maximale Widerstand von PT100 400 Ω beträgt, beträgt die erzeugte Selbsterwärmung temperatur etwa 0,01 °C. In diesem Fall ist der Fehler nahezu vernachlässigbar. Wenn der Selbsterwärmung koeffizient des Platinwiderstands nicht beeinflusst wird, wird der Messstrom zunächst auf den Maximalwert eingestellt. Wenn der Strom zu klein ist, wird die Amplitude der Ausgangsspannung kleiner und das Signal-Rausch-Verhältnis sinkt. 1 mA ist ein häufig verwendeter Messstromwert.
6. Verkabelung methode
Zu den Ausgangsleitung methoden für den Platin-Wärmewiderstand gehören das Zweileitersystem, das Dreileitersystem und das Vierleitersystem. Der durch den Zweidrahtleitung widerstand verursachte Fehler kann nicht beseitigt werden. Das Vierleitersystem weist keinen Leitungswiderstand fehler auf, weist aber die größte Anzahl an Leitungen auf. Das Dreileitersystem basiert auf der Tatsache, dass die Widerstandswerte der drei Leitungen bei gleichen physikalischen Größen bedingungen gleich sind. Der Leitungsfehler kann durch Berechnung nach zweimaliger Messung des Widerstandswerts eliminiert werden, was die am häufigsten verwendete Methode ist.
7. Zusammenfassung
Die Genauigkeit des Temperatur messkreises erfordert nicht nur die frühzeitige Auswahl des Wärmewiderstands, sondern auch die anschließende Optimierung des Hardwaredesigns und des Software algorithmus. Yaxun Electronics bietet das PT100-Schnittstellenmodul TPS02 mit einer Dreidraht schnittstelle für die Messung des Platin-Wärmewiderstands an. Es verfügt über einen hochstabilen Messkreis mit integrierter Erreger stromquelle, 24-Bit-ADC, Linearisierung algorithmus für den Widerstand temperaturwert und 2500 V elektrischer Isolierung. Der Temperaturwert kann über die digitale IIC-Schnittstelle abgelesen werden, indem ein Platin-Wärmewiderstand angeschlossen wird.
