Parametros de los Sensores de Resistencia de Platino PT100 y PT1000
La detección de temperatura se ha utilizado ampliamente en nuestra vida diaria y en sitios industriales. La precisión de los circuitos de medición de temperatura es cada vez más importante ¿Cómo mejorar la precisión de los circuitos de medición de temperatura? Este artículo tomará como ejemplo la solución de medición de temperatura del sensor de resistencia térmica PT100. A partir de los parámetros de selección de resistencias térmicas, explicaré brevemente la dirección para mejorar la precisión de la medición de temperatura.
La resistencia térmica del platino tiene buena estabilidad y precisión a largo plazo y es un elemento sensor de medición de temperatura industrial de uso común. En los últimos años, el proceso de producción de impresión de películas delgadas ha reducido el uso de platino, un metal precioso, y el costo de las resistencias térmicas de platino se ha reducido significativamente y gradualmente se ha utilizado ampliamente. Cuando utilice una resistencia térmica de platino con el circuito posterior, preste atención a sus tres parámetros básicos: resistencia nominal, coeficiente de temperatura y nivel de precisión. Podemos decidir la selección de la resistencia térmica de platino. Comprender las características de conversión de resistencia a la temperatura, la corriente de medición y los métodos de cableado puede ayudarnos a introducir la menor cantidad posible de errores de circuito adicionales y construir un circuito de medición de temperatura preciso.
1. Resistencia nominal
La resistencia nominal es el valor de resistencia de la resistencia térmica de platino en el punto de congelación de 0°C. El PT100 con una resistencia nominal de 100 Ω es el más utilizado, y también hay PT200, PT500 y PT1000 con resistencias nominales de 200 Ω, 500 Ω y 1000 Ω.
2. Coeficiente de temperatura
El coeficiente de temperatura TCR es el cambio promedio en la resistencia por unidad de temperatura de una resistencia térmica de platino entre el punto de congelación y el punto de ebullición del agua. Diferentes organizaciones utilizan diferentes coeficientes de temperatura como estándares. El coeficiente de temperatura adoptado por el europeo IEC60751 y el chino GB/T30121 es 0,003851. El coeficiente de temperatura adoptado por ASTM E1137 en los Estados Unidos es 0,003902, y 0,003851 es actualmente el estándar industrial reconocido a nivel nacional y en la mayoría de los países.
El proceso de cálculo del coeficiente de temperatura es el siguiente, tomando PT100 como ejemplo.
TCR= (R100-R0)/(R0×100)
El valor de resistencia R100=138,51Ω cuando el punto de ebullición es 100℃, y el valor de resistencia R0=100Ω cuando el punto de congelación es 0℃. Divida la diferencia 38,51 por la resistencia nominal y luego divida por 100 ° C. El resultado es el coeficiente de temperatura promedio.
3. Nivel de precisión
IEC60751 estipula el nivel de precisión y el error permitido de las resistencias térmicas de platino. Tomando como ejemplo la resistencia térmica de platino clase A, el error de temperatura máxima consta de dos partes. El error fijo causado por la desviación del valor de resistencia nominal a 0 ℃ es 0,15 ℃, más el error introducido por la deriva del coeficiente de temperatura es 0,002×|T|. donde T es el rango de medición de temperatura real. Cuando T no excede el rango de temperatura de aplicación -30~+300 ℃ en la tabla de grados de precisión, la resistencia térmica del platino no excede el error permitido del grado de precisión.
Cuando la temperatura medida es 100 ℃, el error total de la resistencia térmica de platino Clase A es 0,15+0,002 × 100 = 0,35 ℃. Al seleccionar un modelo, la resistencia nominal, el coeficiente de temperatura estándar, el grado de precisión y el rango de temperatura de aplicación de la resistencia térmica de platino son la base de nuestra selección.
4. Características de conversión de resistencia a la temperatura.
La relación de conversión de resistencia a la temperatura de la resistencia térmica del platino se describe mediante la siguiente fórmula, que se divide en dos situaciones: por debajo de 0 ℃ y por encima de 0 ℃.
Cuando T≤0℃: RT=R0• (1+A•T+B•T2+C• (T-100℃) •T3)
Cuando T≥0℃: RT=R0• (1+A•T+B•T2)
Entre ellos, RT es el valor de resistencia a la temperatura T y R0 es el valor de resistencia a 0 °C. A, B y C son las tres constantes especificadas en IEC60751 y sus valores son 3,9083×10-3 °C-1, -5,775×10-7 °C-2 y -4,183×10-12 °C -4 respectivamente. La temperatura medida T se puede resolver sustituyendo directamente el valor de resistencia RT en la fórmula, pero requiere resolver una ecuación cúbica y el cálculo es complicado.
Para simplificar el cálculo, utilice la fórmula para generar la curva del valor de resistencia a la temperatura del PT100 en el rango de -200~+850°C, como se muestra a continuación. El valor de resistencia del PT100 cambia en el rango de 18~400Ω y tiene una relación de conversión del valor de resistencia de temperatura aproximadamente lineal.
Si utiliza los dos puntos finales de -200 °C y +850 °C para realizar directamente una calibración lineal de dos puntos, intente simplificar el cálculo. La curva del valor de resistencia a la temperatura dentro del rango de temperatura se muestra a continuación. En este momento, el error no lineal máximo excede los 16 Ω y el error es relativamente grande.
Generar una tabla de valores de resistencia a la temperatura basada en la fórmula y luego realizar una interpolación lineal de rango pequeño en la tabla de búsqueda es un método que es simple de calcular y puede lograr una aproximación precisa. En IEC60751 se adjunta una tabla de búsqueda de valores de resistencia a la temperatura con intervalos de 1 °C.
5. Mida la corriente
Las termorresistencias de platino casi siempre se miden mediante excitación de corriente continua. La medición de la corriente inevitablemente genera calor en la resistencia, lo que introduce errores de autocalentamiento. El manual de resistencia térmica de platino tiene dos parámetros: corriente de medición y coeficiente de autocalentamiento. La corriente de medición típica I es de 0,3~1 mA y el coeficiente de autocalentamiento S es de aproximadamente 0,015 ℃/mW.
El error de temperatura introducido por la corriente de medición se puede calcular en función del coeficiente de autocalentamiento, según la siguiente fórmula.
ΔT = P×S=(I2×R) ×S
Por ejemplo, dado 1 mA, cuando la resistencia máxima de PT100 es 400 Ω, la temperatura de autocalentamiento generada es de aproximadamente 0,01 ℃. En este caso el error es casi insignificante. Cuando el coeficiente de autocalentamiento de la resistencia de platino no se ve afectado, la corriente de medición se establece primero en el valor máximo. Cuando la corriente es demasiado pequeña, la amplitud del voltaje de salida se vuelve más pequeña y la relación señal-ruido disminuye. 1 mA es un valor de corriente de medición comúnmente utilizado.
6. Método de cableado
Los métodos de salida de resistencia térmica de platino incluyen el sistema de dos cables, el sistema de tres cables y el sistema de cuatro cables. El error introducido por la resistencia del cable de dos hilos no se puede eliminar. El sistema de cuatro cables no tiene error de resistencia de los cables, pero tiene la mayor cantidad de cables. El sistema de tres hilos se basa en que los valores de resistencia de los tres cables son iguales en las mismas condiciones de tamaño físico. El error del cable se puede eliminar mediante cálculo después de medir el valor de resistencia dos veces, que es el método más utilizado.
Figura 5, Método de cableado de resistencia térmica de platino
7. Resumen
La precisión del circuito de medición de temperatura requiere no sólo la selección temprana de la resistencia térmica, sino también la optimización posterior del diseño del hardware y el algoritmo del software. Yaxun Electronics proporciona el módulo de interfaz PT100 TPS02 con una interfaz de tres cables para medición de resistencia térmica de platino. Tiene un circuito de medición de alta estabilidad que incluye una fuente de corriente de excitación incorporada, ADC de 24 bits, algoritmo de linealización del valor de temperatura de resistencia, aislamiento eléctrico de 2500 V y el valor de temperatura se puede leer a través de la interfaz digital IIC conectando una resistencia térmica de platino.
1. Resistencia nominal
La resistencia nominal es el valor de resistencia de la resistencia térmica de platino en el punto de congelación de 0°C. El PT100 con una resistencia nominal de 100 Ω es el más utilizado, y también hay PT200, PT500 y PT1000 con resistencias nominales de 200 Ω, 500 Ω y 1000 Ω.
2. Coeficiente de temperatura
El coeficiente de temperatura TCR es el cambio promedio en la resistencia por unidad de temperatura de una resistencia térmica de platino entre el punto de congelación y el punto de ebullición del agua. Diferentes organizaciones utilizan diferentes coeficientes de temperatura como estándares. El coeficiente de temperatura adoptado por el europeo IEC60751 y el chino GB/T30121 es 0,003851. El coeficiente de temperatura adoptado por ASTM E1137 en los Estados Unidos es 0,003902, y 0,003851 es actualmente el estándar industrial reconocido a nivel nacional y en la mayoría de los países.
El proceso de cálculo del coeficiente de temperatura es el siguiente, tomando PT100 como ejemplo.
El valor de resistencia R100=138,51Ω cuando el punto de ebullición es 100℃, y el valor de resistencia R0=100Ω cuando el punto de congelación es 0℃. Divida la diferencia 38,51 por la resistencia nominal y luego divida por 100 ° C. El resultado es el coeficiente de temperatura promedio.
3. Nivel de precisión
IEC60751 estipula el nivel de precisión y el error permitido de las resistencias térmicas de platino. Tomando como ejemplo la resistencia térmica de platino clase A, el error de temperatura máxima consta de dos partes. El error fijo causado por la desviación del valor de resistencia nominal a 0 ℃ es 0,15 ℃, más el error introducido por la deriva del coeficiente de temperatura es 0,002×|T|. donde T es el rango de medición de temperatura real. Cuando T no excede el rango de temperatura de aplicación -30~+300 ℃ en la tabla de grados de precisión, la resistencia térmica del platino no excede el error permitido del grado de precisión.
Cuando la temperatura medida es 100 ℃, el error total de la resistencia térmica de platino Clase A es 0,15+0,002 × 100 = 0,35 ℃. Al seleccionar un modelo, la resistencia nominal, el coeficiente de temperatura estándar, el grado de precisión y el rango de temperatura de aplicación de la resistencia térmica de platino son la base de nuestra selección.
4. Características de conversión de resistencia a la temperatura.
La relación de conversión de resistencia a la temperatura de la resistencia térmica del platino se describe mediante la siguiente fórmula, que se divide en dos situaciones: por debajo de 0 ℃ y por encima de 0 ℃.
Cuando T≤0℃: RT=R0• (1+A•T+B•T2+C• (T-100℃) •T3)
Cuando T≥0℃: RT=R0• (1+A•T+B•T2)
Entre ellos, RT es el valor de resistencia a la temperatura T y R0 es el valor de resistencia a 0 °C. A, B y C son las tres constantes especificadas en IEC60751 y sus valores son 3,9083×10-3 °C-1, -5,775×10-7 °C-2 y -4,183×10-12 °C -4 respectivamente. La temperatura medida T se puede resolver sustituyendo directamente el valor de resistencia RT en la fórmula, pero requiere resolver una ecuación cúbica y el cálculo es complicado.
Para simplificar el cálculo, utilice la fórmula para generar la curva del valor de resistencia a la temperatura del PT100 en el rango de -200~+850°C, como se muestra a continuación. El valor de resistencia del PT100 cambia en el rango de 18~400Ω y tiene una relación de conversión del valor de resistencia de temperatura aproximadamente lineal.
Si utiliza los dos puntos finales de -200 °C y +850 °C para realizar directamente una calibración lineal de dos puntos, intente simplificar el cálculo. La curva del valor de resistencia a la temperatura dentro del rango de temperatura se muestra a continuación. En este momento, el error no lineal máximo excede los 16 Ω y el error es relativamente grande.
Generar una tabla de valores de resistencia a la temperatura basada en la fórmula y luego realizar una interpolación lineal de rango pequeño en la tabla de búsqueda es un método que es simple de calcular y puede lograr una aproximación precisa. En IEC60751 se adjunta una tabla de búsqueda de valores de resistencia a la temperatura con intervalos de 1 °C.
5. Mida la corriente
Las termorresistencias de platino casi siempre se miden mediante excitación de corriente continua. La medición de la corriente inevitablemente genera calor en la resistencia, lo que introduce errores de autocalentamiento. El manual de resistencia térmica de platino tiene dos parámetros: corriente de medición y coeficiente de autocalentamiento. La corriente de medición típica I es de 0,3~1 mA y el coeficiente de autocalentamiento S es de aproximadamente 0,015 ℃/mW.
El error de temperatura introducido por la corriente de medición se puede calcular en función del coeficiente de autocalentamiento, según la siguiente fórmula.
Por ejemplo, dado 1 mA, cuando la resistencia máxima de PT100 es 400 Ω, la temperatura de autocalentamiento generada es de aproximadamente 0,01 ℃. En este caso el error es casi insignificante. Cuando el coeficiente de autocalentamiento de la resistencia de platino no se ve afectado, la corriente de medición se establece primero en el valor máximo. Cuando la corriente es demasiado pequeña, la amplitud del voltaje de salida se vuelve más pequeña y la relación señal-ruido disminuye. 1 mA es un valor de corriente de medición comúnmente utilizado.
6. Método de cableado
Los métodos de salida de resistencia térmica de platino incluyen el sistema de dos cables, el sistema de tres cables y el sistema de cuatro cables. El error introducido por la resistencia del cable de dos hilos no se puede eliminar. El sistema de cuatro cables no tiene error de resistencia de los cables, pero tiene la mayor cantidad de cables. El sistema de tres hilos se basa en que los valores de resistencia de los tres cables son iguales en las mismas condiciones de tamaño físico. El error del cable se puede eliminar mediante cálculo después de medir el valor de resistencia dos veces, que es el método más utilizado.
7. Resumen
La precisión del circuito de medición de temperatura requiere no sólo la selección temprana de la resistencia térmica, sino también la optimización posterior del diseño del hardware y el algoritmo del software. Yaxun Electronics proporciona el módulo de interfaz PT100 TPS02 con una interfaz de tres cables para medición de resistencia térmica de platino. Tiene un circuito de medición de alta estabilidad que incluye una fuente de corriente de excitación incorporada, ADC de 24 bits, algoritmo de linealización del valor de temperatura de resistencia, aislamiento eléctrico de 2500 V y el valor de temperatura se puede leer a través de la interfaz digital IIC conectando una resistencia térmica de platino.
