Pt100錯(cuò)誤接線與顯示控制儀電阻測(cè)量回路分析

發(fā)布時(shí)間:2024-02-18
接線錯(cuò)誤將導(dǎo)致顯示控制儀顯示值虛高,本文對(duì)pt100接線方式及顯示控制儀電阻測(cè)量回路進(jìn)行分析,提出pt100與顯示控制儀正確的接線方式。
筆者所在寧波港股份有限公司北侖礦石碼頭分公司的斗輪堆取料機(jī)與裝船機(jī)主要減速箱均安裝有作為測(cè)溫元件,并通過將pt100鉑熱電阻阻值變送為實(shí)際溫度,從而實(shí)現(xiàn)減速箱的油溫保護(hù)。但在實(shí)際使用中,我們發(fā)現(xiàn)顯示控制儀yr-gfc803-01-09-hl-n-t顯示的溫度往往較減速箱實(shí)際油溫(水銀溫度計(jì)測(cè)量結(jié)果)偏高5-8℃。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)分析,我們發(fā)現(xiàn)主要是由于pt100鉑熱電阻誤的接線方式引起了測(cè)量誤差。根據(jù)該結(jié)論,我們調(diào)整了pt100鉑熱電阻的接線方式,成功消除了測(cè)量誤差。
1、pt100鉑熱電阻測(cè)溫原理
鉑熱電阻的阻值隨溫度的變化而變化,一般情況下,其阻值隨溫度的增加而增大,根據(jù)《gb/t30121-2013工業(yè)鉑熱電阻及鉑感溫元件》其電阻值計(jì)算公式為:
-200<t<0℃,rt=r0[1+at+bt2+c(t-100)t3]
0≤t小于850℃,rt=r0(1+at+bt2)
其中t為鉑熱電阻溫度,rt為t℃時(shí)的鉑熱電阻阻值,r0為0℃時(shí)的阻值。公式中的a、b、c為常數(shù),其數(shù)值為別為:a=3.9083×10-3、b=-5.775×10-7、c=-4.183×10-12。
而pt100鉑熱電阻,即是其在0℃時(shí)它的阻值為100歐姆,在100℃時(shí)它的阻值約為138.5歐姆。因此,只要測(cè)得pt100鉑熱電阻的準(zhǔn)確阻值,即可得到pt100傳感器的所處溫度。
2、鉑熱電阻測(cè)溫誤差分析
由于斗輪堆取料機(jī)及裝船機(jī)均利用pt00取料,鉑熱電阻實(shí)現(xiàn)減速箱油溫保護(hù),并將pt100顯示控制儀yr-gfc803-01-09-hl-n-t高油溫報(bào)警輸出信號(hào)接入機(jī)上的連鎖保護(hù),因此對(duì)pt100的測(cè)量精度有一定要求。但在夏季,在環(huán)境溫度較高的條件下,pt100鉑熱電阻測(cè)溫又虛高,導(dǎo)致斗輪堆取料機(jī)及裝船機(jī)相應(yīng)高油溫故障頻發(fā),嚴(yán)重影響設(shè)備的正常運(yùn)行,因此,筆者對(duì)該問題進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)與認(rèn)真分析。
在實(shí)際使用中,斗輪堆取料機(jī)與裝船機(jī)pt100鉑熱電阻均隨減速箱布置在各個(gè)現(xiàn)場(chǎng),而與pt100鉑熱電阻配套使用的顯示控制儀yr-gfc803-01-09-hl-n-t則集中安置在斗輪堆取料機(jī)與裝船機(jī)電氣房?jī)?nèi)。顯示控制儀與鉑熱電阻之間敷設(shè)有4×0.5mm2控制電纜,實(shí)際使用2芯,備2芯,電纜長(zhǎng)度約為50米至70米。通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn),可以發(fā)現(xiàn)將顯示控制儀臨時(shí)固定在pt00鉑熱電阻旁邊時(shí),所測(cè)得的溫度與水銀溫度計(jì)測(cè)量結(jié)果比較幾乎,一旦將pt100鉑熱電阻恢復(fù)接入較遠(yuǎn)的顯示控制儀,則誤差隨著電纜長(zhǎng)度的增加而增加。由于pt100鉑熱電阻的電阻值隨著溫度增加而增加,測(cè)得的電阻值一旦偏大會(huì)導(dǎo)致了pt100鉑熱電阻測(cè)溫虛高。而在本項(xiàng)目中,正是由于顯示控制儀與pt100鉑熱電阻之間的電纜本身電阻的阻值較大導(dǎo)致測(cè)量誤差的存在。
3、pt100鉑熱電阻三線制接線與顯示控制儀電阻測(cè)量回路分析
由于顯示控制儀yr-gfc803-01-09-hl-n-t與pt100鉑熱電阻之間的電纜電阻客觀存在,因此必須采取合理的技術(shù)方案,消除該電纜電阻帶來的測(cè)量誤差。以美國(guó)微芯公司(microchip)的三線制熱電阻測(cè)量方案an687為例,該方案由恒流源電路、電阻測(cè)量回路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、濾波增益回路、單片機(jī)等組成,我們重點(diǎn)分析比較其中的電阻測(cè)量回路(圖1)。
圖1熱電阻三線制接法電阻值測(cè)量方案
①該測(cè)量回路中有恒流源輸入i;
②rtd為所需要測(cè)量的鉑熱電阻,設(shè)rtd鉑熱電阻電壓為vr;
③rw1、rw2、rw3為熱電阻至顯示控制儀的線路等效電阻,由于線路長(zhǎng)度一致,rw1=rw2=rw3,設(shè)三段線路電壓分為為vw1、vw2、vw3;
④設(shè)運(yùn)算放大器a3反向輸入端電壓為v-,同相輸入端電壓為v+,輸出端電壓為va3。根據(jù)測(cè)量回路,我們可以的得到(vw1+vr+vw3-v-)/r5=(v--va3)/r6;由于v-=v+=vr+vw3且r5=r6,得va3=vr;由于該測(cè)量回路輸入為恒流源,測(cè)得運(yùn)算方法器a3的輸出端va3,即得到vr電壓并換算得到rtd電阻值,該阻值進(jìn)一步處理即可得到熱電阻溫度。由此可見該三線制測(cè)量方案(圖2)成功消除了pt100測(cè)量回路中pt100鉑電阻至顯示控制儀的線路電阻帶來的誤差。
圖2 pt100三線制
而原先港機(jī)廠商提供的接線方案中,雖然采用了三線制顯示控制儀,但實(shí)際接線時(shí)接了兩根線,并在顯示控制儀接線端子處端接了1、1端子(見圖3),導(dǎo)致測(cè)量回路中rw1近似為零,則vw1也為零,將該結(jié)果代入公式(vw1+vr+vw3-v-)/r5=(v--va3)/r6,得到va3=vr+rw3,即在測(cè)量回路中代入了測(cè)量回路中線路電阻阻值,導(dǎo)致整個(gè)測(cè)量結(jié)果虛高。
圖3 現(xiàn)場(chǎng)pt00實(shí)際接線方案
根據(jù)上述分析結(jié)果,筆者調(diào)整pt100鉑熱電阻的接線方式,將原有4芯電纜未接入的第三芯投入使用,使pt100鉑熱電阻的接線方式修正為三線制,即成功的消除了測(cè)溫誤差,保證了pt100鉑熱電阻測(cè)溫精度。
4、pt100鉑熱電阻四線制接法分析
pt100鉑熱電阻的四線制接法,也是一種理想接法(見圖4)。鉑熱電阻四線制接法在該方案中,只要通過1、4端子給鉑熱電阻輸入一恒流電流i,并將2、3端子接入電壓表。由于電壓表內(nèi)阻較大,測(cè)得的電壓即為鉑熱電阻電壓,該電壓除去電流i后就可以得到鉑熱電阻阻值。四線制接法以其高精度在實(shí)驗(yàn)室溫度測(cè)量中得到廣泛應(yīng)用,但是,由于使用成本、接線方便性等因素的制約,在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用中,三線制接法的使用更加廣泛。
圖4 pt100四線制
根據(jù)以上分析,pt100鉑熱電阻的使用雖然簡(jiǎn)單,但由于測(cè)量回路線路電阻的影響,需要根據(jù)實(shí)際使用情況選擇三線制或四線制接法及相應(yīng)的顯示控制儀,切不可隨意短接顯示控制儀側(cè)的端子,否則必然存在溫度虛高現(xiàn)象。如果實(shí)際使用中已采用兩線制pt100鉑熱電阻,且現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境重新布線不便的條件下,也可以考慮測(cè)量出顯示控制儀至pt100的控制電纜電阻,將該阻值換算為溫度后,可直接在顯示控制儀yr-gfc803-01-09-hl-n-t上通過pb1參數(shù),直接減去該部分溫度,抵消線路電阻帶來的測(cè)量誤差。
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