六、温度测试方法和仪器
Pt100尽管大体上线性不错,但正温度下还是是二次曲线,负温度下甚至是4次曲线,因此还不能简单的、直接的使用。除了传统的手工测试电阻、查分度表计算的方式外,用仪器得到温度一般用两类方法:
A、硬件线性化电路
利用电桥、补偿、专用电路(可能有专利)进行线性化,甚至有的采用ROM方法,最后得到与温度成线性的电信号,这样用普通电压表就可以直接得到温度值。
B、带有数字电路的测温
先用通常的电阻测试方法得到Pt100的阻值,然后通过计算得到温度。计算的办法就是上一段所描述的那样。
由于存储、CPU越来越普及,表内自建数字线性化温度转换功能的温度表也变得越来越容易,因此目前的Pt100测温仪主要是第2种类型。下面的几种温度测试方法也都是基于此类原理的。
1、专用测温仪
带有或者可以接受Pt100,显示分辩0.01度,例如这个:
2、带有铂电阻温度功能的万用表
很多表带有RTD测试功能,常见的例如34410A、34420A、3458A、8846A、8508A。
以下为MX6.5测试Pt100,可以2线、3线、4线法,直接给出摄氏温度,分辨到0.01度
以下为MetraHit 30M手持表测试Pt100,可以2线也可以4线,直接显示温度,分辩到0.01度:
以下为34420A测试Pt100的情况,直接显示温度,分辩到0.001度:
以下为3458A接上Pt100后,直接读出高分辨的温度:
通过对几个带有Pt100测试功能的高位表的对比测试,温度值与电阻值的吻合程度相当好。测试均采用4线法进行,无论测试电阻还是测试温度,因此可以排除引线电阻的影响。不吻合的部分应该是转换功能的过程中温度发生了变化所致。其中MX6.5的内部软件有一些问题,导致温度有2度多的偏差,正在解决中。
3、测试电阻自己换算
对于很多不具备温度直接测试,但具有4线电阻功能的万用表,例如34401A、8845A,可以先测试电阻,然后采集下来自己搞换算,得到温度。例如34401A测试100欧可以分辩6位,这对于测试温度足够了:
带入Excel,得到温度为5.074度。
最小位加一,温度增大了0.0003度,这就是末位分辩对温度的影响。因此,假若用5.5位表测试电阻,换算成温度分辩为0.003度。当然要注意,Pt100的标准测试电流是1mA,因此万用表测试的时候,要采用低功耗模式,或者用1k档,这样才能不使Pt100因为自热产生误差。
Pt100测试误差来源
1、Pt100本身参数与标准值有差距
2、检测、标定误差
3、老化、电阻变化、检定日期过期
4、引线误差
5、热电动势影响、接触点脏污
6、自热影响
7、测试均温时间不足
8、测试电阻不准确,含接法错误、引线电阻过大
9、测试环境恶劣,外接电磁、震动等干扰
10、测试温度超出Pt100本身的允许范围
11、换算误差
七、Pt100的检定、标定、验证和修正
Pt100的检定,只能通过专业计量单位进行,其遵循的规程见参考资料。
业余条件下进行验证,可以在0度和100度两点温标进行。0度用冰水混合物,或者用雪水混合物更好一些,冰/雪可以用冰箱自己制备,容器大一些以便把传感器全部浸泡,稳定后用万用表按照常规精密测试电阻的方法读数。
100度的温度自然就是沸水,试验时注意安全,多做一些读数以便观察是否稳定。
得到的0度的电阻,就是R0,理想值为100欧;
而得到的100度的电阻,减去R0再除上R0和100度,就是平均温度系数,理想值为0.003851欧/度。换句话说,如果一切理想,100度下的电阻为138.51欧。
但是,温度系数是有误差的。例如B级的温度系数误差为+-0.000012之内,即0.003851+-0.000012,也就是在0.003839到0.003863之间。因此假设某B级电阻在0度时正好为100欧,那么100度下也可能落入138.39-138.63范围内,这等价为0.3度的误差。
如图,红色粗线为理想Pt100曲线,粉色线为R0偏离了100欧(为了表示方便取97欧),造成整个曲线下沉。但这不要紧,在Excel公式里已经考虑了这个修正。
另一方面,温度系数的不理想会造成曲线的斜率变化,例如蓝色细线(取0.00362),在高温下阻值偏小,而在低温下阻值偏大。
为了修正这一斜率误差,可以自己修改温度系数参数,然后重新生成自己对应的分度表,进行对应的计算。
也可以认为这种误差在整个温度范围内是线性的,这样也可以把误差进行线性分配。例如已知100度时偏差0.2度,那么就可以在计算的过程中分配下去,50度下就减去0.1度、-25度下就加上0.05度,150度下就减去0.15度。
如果有条件测试0度、50度和100度三点的温度,就可以通过拟合直接算出A、B两个参数(上述公式Rt/R0 = 1 + A*t + B*t^2)。例如对于上述“联合不理想曲线”,只需在Excel里做散点图,选择2次曲线拟合、显示公式:
拟合公式为:y = -5.41609E-05x2 + 3.56454E-01x + 9.71808E+01
这样我们就得到:
R0=97.181
A=0.35645
B=-5.4161E-5
对于负温度,如果能测试某个负温度下(例如-50度)的阻值,那么就可以直接算出C(公式Rt/R0 = 1 + A*t + B*t^2 + C*(t-100)*t^3),这样就可以把修正延伸到负温度场合。但是,这种修正非常难,因为C参数非常小,修正将更小。在-40度下,即便用正温度的2次公式,误差也不到0.001度,完全可以忽略。-50度下误差也就是0.02度,这已经超过绝大多数实验室环境下温度测量误差下限,因此修正C变得异常困难,也不必要了。
参考资料
三次方程的解法:http://zh.wikipedia.org/wiki/%E4%B8%89%E6%AC%A1%E6%96%B9%E7%A8%8B
四次方程的解法:http://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%9B%9B%E6%AC%A1%E6%96%B9%E7%A8%8B
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