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重点解说使用热电阻测量温度全部基础内容

来源:发表时间:2019-06-03


     热电阻是一种温度传感器件,其电阻随温度升高而增加。热电阻由线圈或纯金属沉积膜组成。热电阻可以由不同的金属制成并具有不同的电阻,但最流行的热电阻是铂,在零摄氏度时 标称电阻为100 W。本文重点解说使用热电阻测量温度全部基础内容。
     上海自动化仪表三厂热电阻以其在宽温度范围内的出色精度而闻名。一些热电阻 在零摄氏度时的精度高达0.01 W(0.026°C)。热电阻也是非常稳定的设备。常见的工业热电阻漂移低于0.1°C /年,有些型号稳定在0.0025°C /年以内。
     热电阻可能难以测量,因为它们具有相对较低的电阻(100W),其随温度(小于0.4W /°C)仅略微变化。要准确测量这些电阻的微小变化,您可能需要使用特殊配置,以最大限度地减少引线电阻的误差。
     由于热电阻是无源电阻器件,因此必须通过器件传递电流以产生可测量的电压。该电流导致热电阻内部加热,这显示为错误。自加热通常指定为将热电阻温度提高1°C或1 mW /°C的功率。您可以通过使用尽可能小的激励电流来最小化自加热。自加热量也很大程度上取决于热电阻浸入的介质。热电阻可以在静止空气中自动加热至高于移动水的100倍。
热电阻中电阻和温度的关系
     与其他温度器件相比,热电阻的输出相对于温度是相对线性的。称为alpha(a)的温度系数在热电阻曲线之间不同。虽然各个制造商可能不同地指定α,但α最常被定义为热电阻电阻从零到100°C的变化除以零摄氏度的电阻除以100°C:
     a(W / W /°C) =(R 100 - R 0)/(R 0 * 100°C)
     其中R 100是热电阻在100°C时的电阻,R 0是热电阻在零摄氏度时的电阻。例如,一个100 Wˉˉ铂热电阻 一个 = 0.003911将测量139.11 Wˉˉ在100℃下。图1显示了100 W铂热电阻 的典型电阻 - 温度曲线。
     尽管电阻 - 温度曲线是相对线性的,但是将测量的电阻精确地转换为温度需要曲线拟合。Callendar-Van Dusen方程通常用于近似热电阻曲线:
     R t = R 0 [1 + At + Bt 2 + C(t - 100)3 ]
     其中R t是热电阻在温度= t时的电阻,R 0是热电阻在零摄氏度时的电阻,A,B和C是表1中所示的 Callendar-Van Dusen系数,t是温度以摄氏度为单位。对于零摄氏度以上的温度,C系数等于零。因此,对于高于零摄氏度的温度,该等式减少为二次曲线。如果你传递一个已知电流I EX,通过热电阻并测量热电阻上产生的输出电压V 0,你可以求解t:
     大多数铂热电阻曲线遵循三种标准曲线之一 - DIN 43760标准(a = 0.00385),美国工业或美国标准(a = 0.003911),或用于绕线的国际温度标度(ITS-90) 热电阻(a = 0.003925)。表3列出了这三种铂热电阻曲线中每一种的Callendar-Van Dusen系数。
热电阻测量电路
     由于上海自动化仪表三厂热电阻是电阻器件,因此必须通过器件驱动电流并监控产生的电压。但是,将测量系统连接到热电阻的导线中的任何电阻都会增加读数误差。例如,考虑连接到测量系统的双线热电阻元件,该系统还提供恒定电流源I EX来驱动热电阻。如图2所示,引线电阻上的电压降R L增加了测量电压。例如,每根导线中的0.3 W的引线电阻R L 在电阻测量中增加0.6 W的误差。对于铂热电阻 一= 0.00385,电阻等于0.6 W /(0.385 W /°C)= 1.6°C误差。
双线热电阻测量
     如果使用的引线长度大于10英尺,则可能需要补偿此引线电阻。首选的热电阻测量方法是使用四线热电阻。一对导线将电流通过热电阻; 另一对检测热电阻两端的电压。由于只有可忽略不计的电流流过传感线,因此R L2和R L3的引线电阻误差可以忽略不计。
四线热电阻测量


     仅适用于零摄氏度以下的温度; 对于零摄氏度以上的温度,C = 0.0。
     表1.与普通热电阻相对应的Callendar-Van Dusen系数
     为了降低成本,您可能希望使用三线热电阻。通过使用具有电流源的Wheatstone配置的三线热电阻,如图4a所示,您可以补偿引线电阻。注意,在这种桥配置中,R L2 和R L3的效果 相互抵消,因为它们位于桥的相对臂中。引线电阻R L2不会增加明显的误差,因为很少有电流流过它。或者,您可以使用电流激励源并连接三线热电阻,如图4b所示。在这种配置中,仅一个引线的电阻R L1增加了测量误差。
使用SCXI进行热电阻测量
     通常需要将热电阻连接到测量设备(如插件数据采集(DAQ)板)。信号调理为热电阻产生电流激励,放大输出信号,并对信号进行滤波以消除不需要的噪声。您还可以使用信号调理将热电阻和受监控系统与DAQ系统和主机电气隔离。
     信号调节仪器扩展(SCXI)是一种信号调理前端,可用于插入式DAQ板,或作为完整的外部DAQ系统。SCXI模块调节来自各种信号源(如热电阻,热敏电阻和热电偶)的信号,并将调节后的信号传递到插入式DAQ板。然后,插件板可以将信号直接获取到PC存储器中。或者,您可以将SCXI系统连接到RS-232或RS-485串行网络连接到PC以进行远程数据采集。SCXI产品系列具有各种模拟和数字信号调理模块,适用于各种类型的信号。SCXI-1121和SCXI-1122都非常适合热电阻。
示例使用SCXI-1121监控16个上海自动化仪表三厂热电阻
     对于此示例,假设您要使用16个100 W四线热电阻来监控生产过程的效率。您可以使用四插槽SCXI-1000机箱中的四个SCXI-1121模块监控所有16个热电阻。模块和机箱连接到插入式PC DAQ板,可从所有四个模块获取模拟信号,并将数字化读数存储到PC存储器中。
     本例中的插件板是AT-MIO-16F-5,它是用于IBM PC AT和兼容计算机的12位,200 kHz多功能I / O板。由于其准确性,高扫描速率和自校准能力,AT-MIO-16F-5板用于该示例中。您还可以在Macintosh和PS / 2平台上使用类似的多功能I / O板和SCXI系统。SCXI机箱通过SCXI-1345屏蔽电缆组件连接到AT-MIO-16F-5,长度可达10米。热电阻连接到SCXI-1320接线端子,具有方便的螺钉端子和应变消除装置。图5是该系统的示意图。
     IBM PC / XT / AT或兼容计算机控制温度监控系统。因此,用于控制系统的应用软件选择包括National Instruments的LabWindows for DOS或LabVIEW for Windows。或者,您可以在DOS或Windows中使用通用编程语言(如C,BASIC或Pascal),并使用NI-DAQ驱动程序软件控制DAQ硬件,该软件包含在所有NI插件DAQ板中。
配置SCXI系统进行热电阻测量
     首先,配置SCXI-1121模块进行热电阻测量。配置包括为SCXI-1121的每个输入通道设置激励模式,增益和带宽。请按照以下步骤配置SCXI-1121模块:
     设置激励模式。由于您使用的是四线热电阻,因此请将每个通道配置为恒定电流激励。您可以将电流源配置为0.15 mA或0.45 mA。较低的电流设置可最大限度地降低热电阻自热效应。
     设置增益。确定应用于热电阻信号的增益。请注意选择增益,以使SCXI-1121的输出不超过AT-MIO-16F-5的+/- 5 V输入范围,但会产生最佳分辨率。例如,假设您将 在高达300°C的温度下运行100 W 热电阻。在此温度下,热电阻电阻增加至约220 w ^。使用0.15 mA电流源时,300°C时的电压输出为220 W * 0.15 mA = 33 mV。将SCXI-1121的增益设置为100将产生3.3 V的最大电压输出,该输出在插入板的+/- 5 V输入范围内。
     设置带宽。SCXI-1121在每个通道上都有可配置跳线的滤波器。您可以将每个滤波器设置为4 Hz或10 kHz的截止频率。4 Hz滤波器对于抑制来自电源线和照明的60 Hz噪声特别有用。表2总结了用于测量热电阻的典型SCXI-1121配置。


注意:这些设置是基于每个通道配置的。
表2.与热电阻一起使用的SCXI-1121的典型配置
将热电阻
     连接到SCXI-1121使用SCXI-1320屏蔽端子块将热电阻连接到SCXI-1121模块。或者,您可以使用SCXI-1321或SCXI-1328接线端子,它们分别具有应变片和热电偶的特殊功能,或SCXI-1330连接器和外壳。图6显示了用于将四线热电阻正确连接到SCXI-1320的通道0的导线连接。 图7包含将两线,三线和线控热电阻连接到SCXI-1121模块的接线图。
测量热电阻温度
     配置并安装插入式DAQ板和SCXI-1121模块并将热电阻正确连接到SCXI接线盒后,您可以测量热电阻感知的温度。您可以使用LabVIEW,LabWindows或NI-DAQ软件轻松监控热电阻产生的电压。以下软件编程序列是使用每个软件包进行热电阻测量的典型代码。
LabVIEW在LabVIEW中使用此编程序列:
     运行NI-DAQ配置实用程序并输入SCXI硬件配置和跳线设置。此步骤告诉NI-DAQ驱动程序软件正在使用哪些硬件以及如何配置模块,包括在缩放数据时使用哪个增益值。
     测量热电阻通道的电压。您可以使用高级VI,例如DAQ菜单的Easy I / O调色板中的AI Sample Channel,来测量来自一个或多个SCXI通道的电压。
     将电压测量值缩放到温度读数。LabVIEW有一个虚拟仪器(VI),它使用Callendar-Van Dusen公式将电压读数调整到温度读数。这个名为热电阻 Convert的VI位于DAQ菜单的DAQ Utilities面板中。
LabWindows / CVI
在LabWindows for DOS中使用此编程序列:
     运行NI-DAQ配置实用程序并输入SCXI硬件配置和跳线设置。此步骤告诉NI-DAQ驱动程序软件正在使用哪些硬件以及如何配置模块。
     测量热电阻通道的电压。对于单点电压测量,请使用功能序列SCXI_Load_Config,     SCXI_Single_Chan_Setup,AI_Read和AI_VScale。AI_VScale函数返回热电阻通道上测量的电压。
     将电压测量值缩放到温度读数。LabWindows具有转换功能,使用Callendar-Van Dusen公式将电压读数缩放到温度读数。这些函数,用于单点转换的热电阻转换和用于多次转换的热电阻_Buf_Convert,是Transducer Conversions仪器驱动程序(convert.fp)的一部分。
布里奇维尤
     运行NI-DAQ配置实用程序(WDAQCONF.EXE)并输入SCXI硬件配置和跳线设置。
     使用DAQ通道向导配置每个I / O通道。对于每个I / O通道,您可以配置缩放并指定标记名称。您可以从弹出对话框中选择热电阻缩放。NI-DAQ服务器将使用适当的热电阻传输功能自动将SCXI-1121的电压测量值调节到温度。
     在BridgeVIEW应用程序中,读取分配给热电阻输入的标签。数据将以缩放的温度单位返回。
NI-DAQ在NI-DAQ中
使用此编程序列:
     运行NI-DAQ配置实用程序并输入SCXI硬件配置和跳线设置。此步骤通知NI-DAQ驱动程序软件正在使用哪些硬件以及如何配置模块。
     测量热电阻通道的电压。对于单点电压测量,请使用功能序列SCXI_Load_Config,     SCXI_Single_Chan_Setup,AI_Read和AI_VScale。AI_VScale函数返回热电阻通道上测量的电压。
     将电压测量值缩放到温度读数。NI-DAQ有源代码文件,可以实现Callendar-Van Dusen公式,将电压读数扩展到温度读数。这些文件称为热电阻.c,热电阻.pas和热电阻.bas,用于C,Pascal和BASIC编程语言。
低成本热电阻测量
     热电阻应用示例使用SCXI-1121隔离放大器。SCXI-1121模块为四个隔离输入通道中的每一个提供四个隔离且可独立配置的激励通道。如果通道间隔离不重要,可以使用SCXI-1122配置较便宜的系统,SCXI-1122包括一个电流激励源,为多个热电阻供电,
     您还可以使用SCXI 1121模块的当前激励通道为连接到其他SCXI-1120八通道隔离放大器模块的多个热电阻供电。单个SCXI-1121激励通道可通过高达10 k W的负载驱动恒定电流供应。例如,如果每个热电阻电阻限制在250 W,则单个SCXI-1121激励通道可以在串行配置中为多达40个热电阻供电。
结论
      热电阻是多功能温度传感器,在很宽的温度范围内具有高精度。由于热电阻是低阻设备,因此在接线和测量热电阻时必须小心,以避免引线电阻引起的误差。需要进行信号调节,如电流激励和放大,以便使用DAQ设备进行热电阻测量。使用SCXI信号调理系统,您可以调节多个热电阻信号并将多路复用信号传递到PC插件DAQ板。

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