【產(chǎn)品應(yīng)用】TPS02RBH—如何用RTD實(shí)現(xiàn)高精度的溫度補(bǔ)償

在實(shí)際應(yīng)用中，儀器的測量結(jié)果經(jīng)常會(huì)受到溫度的影響。例如溫度變化影響電阻、電容等器件的值，也會(huì)影響酸堿度、聲速、密度等，導(dǎo)致測量有偏差。本文將介紹如何使用RTD實(shí)現(xiàn)高精度的溫度補(bǔ)償，提高儀器測量精度。

什么是溫度補(bǔ)償

大多數(shù)測量儀器是通過傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)被測物質(zhì)的測量的。在傳感器應(yīng)用中，傳感器本身和被測物質(zhì)通常都有一定的溫度系數(shù)，會(huì)隨環(huán)境溫度的變化而改變自身的參數(shù)，為了使傳感器的指標(biāo)及性能不受溫度變化影響而采取的一系列技術(shù)措施，稱為溫度補(bǔ)償技術(shù)。例如超聲波在1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓和15℃下的空氣中傳播速度約為340m/s，溫度每升高1℃，傳播速度約增加0.6m/s。如果要在不同環(huán)境溫度中使用超聲波實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)測距，首先需測出當(dāng)前環(huán)境中的溫度，對(duì)超聲波傳播速度進(jìn)行補(bǔ)償?shù)贸鰧?shí)際速度，從而減小測量誤差。

常見的帶有溫度補(bǔ)償?shù)臏y量儀器有：PH檢測儀、水質(zhì)分析儀、流量計(jì)、頻率計(jì)、超聲波液位計(jì)、溫度傳感器、壓力變送器等。

RTD作為溫度補(bǔ)償傳感器的優(yōu)勢

溫度補(bǔ)償主要是通過溫度傳感器來實(shí)現(xiàn)，常見的溫度補(bǔ)償傳感器根據(jù)其工作原理不同，有熱電阻、熱敏電阻、熱電偶、半導(dǎo)體、紅外線等幾種類型。熱電偶有較大的測溫范圍，但溫度曲線呈非線性，精度低；基于半導(dǎo)體的傳感器，一般集成到IC中，體積小，但精度很低，測溫范圍也較窄；紅外測溫傳感器可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離測溫，但是精度較低，容易受外界環(huán)境影響。熱敏電阻由于溫度系數(shù)不同可分為PTC（正溫度系數(shù)）、NTC（負(fù)溫度系數(shù)）兩種，又由于材料不同可分為多種類型的熱敏電阻，性能也參差不齊。其中熱電阻（RTD）相對(duì)于其他幾種溫度傳感器精度更高、線性度好、抗干擾能力強(qiáng)。鉑熱電阻較高可達(dá)到0.1℃精度，適合作為溫度補(bǔ)償傳感器等對(duì)精度和穩(wěn)定性要求較高的應(yīng)用。

RTD的阻值會(huì)隨溫度的變化而線性變化，常見的RTD有鉑、鎳、銅等幾種材質(zhì)，其中鉑熱電阻的線性度最好。一般使用較多的鉑電阻有PT100、PT1000。0℃下，PT100的阻值為100Ω，PT1000的阻值為1kΩ；溫度每變化1℃，PT100的阻值增大或減小約0.385Ω，PT1000的阻值增大或減小約3.85Ω，所以我們可以通過采集RTD的阻值來換算出被測溫度數(shù)值。PT1000的測溫范圍相對(duì)比PT100小，但精度更高。如果測溫范圍較小：-50℃～+300℃，對(duì)測溫精度要求較高的應(yīng)用，推薦選用PT1000。

圖2 三種RTD溫度特性曲線對(duì)比

? PH檢測儀中的溫度補(bǔ)償應(yīng)用

PH檢測儀是用來檢測液體酸堿度的儀器，利用溶液的電化學(xué)性質(zhì)測量氫離子濃度，推算出溶液的酸堿度。計(jì)算方法是依據(jù)能斯特方程原理來實(shí)現(xiàn)的，方程式中PH電極的電動(dòng)勢和PH值呈線性關(guān)系。通常PH檢測儀中會(huì)先用兩種不同PH值的標(biāo)準(zhǔn)緩沖液進(jìn)行標(biāo)定，確定能斯特方程中曲線的斜率，之后通過采集PH電極電動(dòng)勢來確定PH值。從方程中可以看出，溶液的電動(dòng)勢ΔE與溫度T也呈線性關(guān)系，所以當(dāng)樣片溶液測量時(shí)的溫度與標(biāo)準(zhǔn)緩沖液標(biāo)定時(shí)的溫度（一般為25℃）不同時(shí)，會(huì)影響電動(dòng)勢的測量結(jié)果，從而影響到實(shí)際溫度下測量的PH值。

E：電動(dòng)勢

E0：標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)勢，常數(shù)

R：氣體常數(shù)（8.314J/mol*K）

T：開氏絕對(duì)溫度（K）

n：被測離子的化合價(jià)（銀=1，氫=1）

F：法拉第常數(shù)（96485C/mol）

αH+：被測溶液的H+活度

圖3?PH測量圖示那要如何才能避免溫度帶來的影響呢？首先我們知道溫度是影響能斯特方程中的斜率來影響PH值的，通過計(jì)算大約會(huì)帶來0.003PH/℃的誤差，影響還是比較明顯的，所以對(duì)于精度要求高于0.1PH精度的PH檢測儀都需要有溫度補(bǔ)償，來修正實(shí)際測量時(shí)的斜率。同時(shí)，因?yàn)槿芤罕旧淼腜H值也受溫度的影響，所以僅對(duì)電極斜率的補(bǔ)償稱為半補(bǔ)償，如果需要得到更精確的PH值，還需對(duì)被測溶液進(jìn)行溫度補(bǔ)償，即全補(bǔ)償。

PH檢測儀通常使用PT1000作為溫度補(bǔ)償傳感器，先用PT1000傳感器測量標(biāo)準(zhǔn)緩沖液中的溫度值，標(biāo)定該溫度下的PH值；再測量被測溶液的溫度值、PH電極的電壓值，通過能斯特方程計(jì)算出被測溶液的PH值。測量過程中，應(yīng)保持標(biāo)準(zhǔn)緩沖液與被測溶液處于同一溫度下。

TPS02RBH實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定高精度的溫度測量

從上面的例子可以看出，溫度補(bǔ)償對(duì)于精度較高的測量儀器是必不可少的。我司最新推出的TPS02RBH雙通道PT1000隔離測溫模塊，具備寬測溫范圍，低溫漂系數(shù)，可實(shí)現(xiàn)0.02%±0.1℃的高精度測溫。模塊出廠自帶校準(zhǔn)，只需接入PT1000即可通過I2C直接輸出以℃為單位的溫度數(shù)據(jù)，簡單易用，穩(wěn)定可靠，可廣泛應(yīng)用于各類測量儀器的溫度補(bǔ)償。

圖4?TPS02RBH直接輸出℃溫度數(shù)據(jù)

產(chǎn)品特點(diǎn)：

雙通道PT1000測量；-100~+300℃測溫范圍；0.01℃測溫分辨率；0.02%±0.1℃測溫精度；10ppm/℃溫漂；I2C通信接口；隔離耐壓4000Vrms；工作環(huán)境：-40℃~+85℃。