用仿真方法实现PT100温度变送器的非线性补偿

温度是非常重要的物理参数。

热电偶和热敏电阻(RTD)适用于大多数高温测量,但设计人员必须为特定应用选择合适的传感器。

表1提供了选择常用传感器的指南。

RTD具有高精度,工作温度范围:-200°C至+ 850°C。

它们还具有良好的长期稳定性,并且可以使用适当的数据处理设备来传输,显示和记录其温度输出。

由于热敏电阻的电阻与温度成正比,因此设计人员只需要使已知电流流经电阻即可获得与温度成正比的输出电压。

根据已知的电阻-温度关系,可以计算出所测量的温度。

电阻值随温度的变化被称为“电阻温度系数”。

大多数金属材料的温度系数为正,许多纯金属材料的温度系数在一定温度范围内保持恒定。

因此,热敏电阻是具有线性响应的稳定的高精度温度检测器。

在特定应用中使用哪种金属材料(铂,铜,镍等)取决于测得的温度范围。

铂电阻在0°C时的标称电阻值为100Ω。

尽管RTD是一种标准化的设备,但世界各地有许多不同的标准。

这样,当在不同标准的仪器设计中使用相同标准的RTD时,就会出现问题。

铂金的长期稳定性,可重复操作,快速响应和较宽的工作温度范围使其适合各种应用。

因此,铂电阻RTD是温度测量中最稳定的标准设备。

以下公式描述了PT100的特性,显然它的温度和电阻是非线性的:RT = R0(1 + AT + BT2 + C(T-100)T3)其中:A = 3.9083E-3B = -5.775E-7C = -4.183E-12(低于0°C时)或0(高于0°C时)。

表3是表格形式。

在特定应用中,PT100可以连接到2线,3线或4线系统中(图1、2和3)。

PT100非线性误差补偿有多种模拟和数字方法。

例如,您可以使用查找表方法或以上公式来实现数字非线性补偿。

查找表方法是将表示铂电阻和温度之间的对应关系的表存储在μP存储区中,并使用该表将测得的PT100电阻值转换为相应的线性温度值。

另一种方法是使用以上公式根据实际测得的电阻值直接计算相关温度。

查找表方法只能包含有限的电阻/温度对应值,电路的复杂性取决于精度和可用的存储空间。

为了计算特定的温度值,必须首先确认两个最接近的电阻值(一个低于RTD测量值,一个高于RTD测量值),然后使用插值法确定测量的温度值。

例如:如果测试的电阻值等于109.73Ω,则假设查找表的精度为10°C,则两个最接近的值为107.79Ω(20°C)和111.67Ω(30°C)。

综合考虑这三个数据,可以使用以下公式进行计算:上述数字补偿方法需要微处理器(μP)的支持,但是可以使用图4中的简单模拟电路来获得高精度的非线性补偿。

该电路的输出电压在-100°C下为0.97V,在200°C下为2.97V。

当实现更宽的测量范围时,例如:-100mV @ -100°C至200mV @ 200°C,有必要添加合适的增益调节(范围)电路和失调(失调)控制。

该方法利用电阻R2的少量正反馈效应来实现PT100的非线性补偿。

当反馈环路对应于PT100的较高电阻时,输出电压会稍微增加,这有助于传递函数的线性化:图5显示了PT100的实际输出和最接近的直线:y = ax + b ,图6显示了经过模拟非线性补偿的PT100输出及其最接近的直线。

每个图都显示了温度和电阻之间的关系,并将其与图4中电路的计算输出值进行了比较。

图7和图8显示了PT100补偿前后的误差。

在实际应用中,我们经常需要校准模拟体温计,但是我们必须最小化调节和控制环节。

通常,我们只需要在两个PT100点校准零偏移和满量程误差。

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