热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。它的主要特点是测量精度高,性能稳定。其中铂热是阻的测量精确度是最高的,它不仅广泛应用于工业测温,而且被制成标准的基准仪。

 

  1.热电阻测温原理及材料

  热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的。热电阻大都由纯金属材料制成,目前应用最多的是铂和铜,此外,现在已开始采用甸、镍、锰和铑等材料制造热电阻。

 

  2.热电阻的结构

  (1)精通型热电阻 工业常用热电阻感温元件(电阻体)的结构及特点见表2-1-11。从热电阻的测温原理可知,被测温度的变化是直接通过热电阻阻值的变化来测量的,因此,热电阻体的引出线等各种导线电阻的变化会给温度测量带来影响。为消除引线电阻的影响同般采用三线制或四线制

 

  (2)铠装热电阻 铠装热电阻是由感温元件(电阻体)、引线、绝缘材料、不锈钢套管组合而成的坚实体,与普通型热电阻相比,它有下列优点:①体积小,内部无空气隙,热惯性上,测量滞后小;②机械性能好、耐振,抗冲击;③能弯曲,便于安装④使用寿命长。

 

  (3)端面热电阻 端面热电阻感温元件由特殊处理的电阻丝材绕制,紧贴在温度计端面,其结构如图2-1-8所示。它与一般轴向热电阻相比,能更正确和快速地反映被测端面的实际温度,适用于测量轴瓦和其他机件的端面温度。

 

  (4)隔爆型热电阻 隔爆型热电阻通过特殊结构的接线盒,把其外壳内部爆炸性混合气体因受到火花或电弧等影响而发生的爆炸局限在接线盒内,生产现场不会引超爆炸。隔爆型热电阻可用于Bla~B3c级区内具有爆炸危险场所的温度测量。

 

  3.热电阻测温系统的组成

  热电阻测温系统一般由热电阻、连接导线和显示仪表等组成。必须注意以下两点:热电阻和显示仪表的分度号必须一致为了消除连接导线电阻变化的影响,必须采用三线制接法。

 

热电偶(thermocouple)是温度测量仪表中常用的测温元件,它直接测量温度,并把温度信号转换成热电动势信号,通过电气仪表(二次仪表)转换成被测介质的温度。各种热电偶的外形常因需要而极不相同,但是它们的基本结构却大致相同,通常由热电极、绝缘套保护管和接线盒等主要部分组成,通常和显示仪表、记录仪表及电子调节器配套使用。

 

  1.热电偶测温基本原理

  将两种不同材料的导体或半导体A和B焊接起来,构成一个闭合回路,当导体A和B的两个执着点1和2之间存在温差时,两者之间便产生电动势,因而在回路中形成一个大小的电流,这种现象称为热电效应。热电偶就是利用这一效应来工作的。

 

  2.热电偶的种类及结构形成(1)热电偶的种类

  常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。所调用标准热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、允许误差、并有统一的标准分度表的热电偶,它有与其配套的显示仪表可供选用。非标准化热电偶在使用范围或数量级上均不及标准化热电偶,一般也没有统一的分度表,主要用于某些特殊场合的测量。

 

  标准化热电偶我国从1988年1月1日起,热电偶和热电阻全部按IEC国际标准生产,并指定S、B、E、K、R、J、T七种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶。

 

  (2)热电偶的结构形式为了保证热电偶可靠、稳定地工作,对它的结构要求如下:

  ① 组成热电偶的两个热电极的焊接必须牢固;② 两个热电极彼此之间应很好地绝缘,以防短路;③ 补偿导线与热电偶自由端的连接要方便可靠;④ 保护套管应能保证热电极与有害介质充分隔离。

 

  3.热电偶冷端的温度补偿

  由于热电偶的材料一般都比较贵重(特别是采用贵金属时),而测温点到仪表的距离都很远,为了节省热 电偶材料,降低成本,通常采用补偿导线把热电偶的冷 端(自由端)延伸到温度比较稳定的控制室内,连接到仪表端子上。必须指出,热电偶补偿导线的作用只起延伸热电极,使热电偶的冷端移动到控制室的仪表端子上,它本身并不能消除冷端温度变化对测温的影响,不起补偿作用。因此,还需采用其他修正方法来补偿冷端温度0≠0℃时对测温的影响。在使用热电偶补偿导线时必须注意型号相配,极性不能接错,补偿导线与热电偶连接端的温度不能超过100℃。

 

采用Pt100 测量温度一般有两种方案:

  1.设计一个恒流源通过Pt100 热电阻,通过检测Pt100 上电压的变化来换算出温度; 2.采用惠斯顿电桥,电桥的四个电阻中三个是恒定的,另一个用Pt100 热电阻,当Pt100电阻值变化时,测试端产生一个电势差,由此电势差换算出温度。

 

  如图3 所示,是以华邦的78E51 单片机为处理器,采用恒流源为信号获取电路的测温方案,恒流源通过Pt100 热电阻,温度变化引起Pt100 电阻值的变化,从引起电压的变化,放大后经AD 采用后,送由单片机处理,换算出相应温度。为了达到高精度、宽量程的测温要求,选用的是AD 转换芯片是12 位串行AD 芯片MAX1270。

 

PT100

图源:互联网

图3 采用恒流源的Pt100 测温方案

 

4.1 通过改善Pt100 接线方式对误差进行补偿

  铂热电阻的使用,一般有三种接法,分别是二线制接法、三线制接法和四线制接法,如图4 所示,不同的接法适应于不同的精度要不求。

 

PT100

图源:互联网

图4

 

1.二线制接法:如图4(a)所示,这种接法不考虑Pt100 电缆的导线电阻,将A/D 采样端与电流源的正极输出端接在一起,这种接法由于没有考虑测温电缆的电阻,因此只能适用于测温距离较近的场合。

 

  2.三线制接法:如图4(b)所示,这种接法增加了用于A/D 采样的补偿线,三线制接法消除了连接导线电阻引起的测量误差,这种接法适用于中等测温距离的场合。

 

  3.四线制接法:如图4(c)所示,这种接法不仅增加了A/D 采样补偿线,还加了一条A/D对地的补偿线,这样可以近一步的减小测量误差,可以用于测温距离较远的场合。如果只从精度上考虑,采用四线制接法效果最好。 4.2 通过对采样信号进行滤波减小随机误差

 

  数字滤波的前提是对同一数据进行多次采样,在单片机系统中一般有以下几种方法: 1.中值滤波:一般采样5、7 次,排序后取中间值。 2.算术平均滤波:一般采样8 次,求平均值。

 

  3.去极值平均滤波:去掉最大最小值后求平均值一般采样10、12 次。 4.加权平均滤波:各加权系数之和为1。

 

  5.滑动平均滤波:本次采样值和前n 次采样值求平均。

 

  数据滤波方法选用要视现场环境和被测对象而定,在本系统中采用的是去极值均值滤波,算术平均滤波不能将明显的脉冲干扰或粗大误差消除,只能将其影响削弱。因明显干扰或粗大误差使采样值远离其实际值,可以比较容易地将其剔除,不参与平均值计算,从而使平均滤波的输出值更接近真实值。

 

  4.3 通过插值算法校正Pt100 的非线性度

  由Pt100 的特性可知,虽然Pt100 的线性度比较好,但是由于其温度—电阻函数关系并非线性,用单片机运算则占用资源和时间都比较多。通常采用查表和线性插值算法进行标度变换的方法计算出温度,不仅运算快、占用单片机内部资源少,而且可以一定程度上对Pt100 进行线性化校正,从而达到非常精确的测温效果。