TPS02RBH—如何用RTD实现高精度的温度补偿

在实际应用中，仪器的测量结果经常会受到温度的影响。例如温度变化影响电阻、电容等器件的值，也会影响酸碱度、声速、密度等，导致测量有偏差。本文将介绍如何使用RTD实现高精度的温度补偿，提高仪器测量精度。

 什么是温度补偿

大多数测量仪器是通过传感器实现对被测物质的测量的。在传感器应用中，传感器本身和被测物质通常都有一定的温度系数，会随环境温度的变化而改变自身的参数，为了使传感器的指标及性能不受温度变化影响而采取的一系列技术措施，称为温度补偿技术。例如超声波在1个标准大气压和15℃下的空气中传播速度约为340m/s，温度每升高1℃，传播速度约增加0.6m/s。如果要在不同环境温度中使用超声波实现精准测距，首先需测出当前环境中的温度，对超声波传播速度进行补偿得出实际速度，从而减小测量误差。

常见的带有温度补偿的测量仪器有：PH检测仪、水质分析仪、流量计、频率计、超声波液位计、温度传感器、压力变送器等。

图1 带温度补偿的测量仪器
 RTD作为温度补偿传感器的优势

温度补偿主要是通过温度传感器来实现，常见的温度补偿传感器根据其工作原理不同，有热电阻、热敏电阻、热电偶、半导体、红外线等几种类型。热电偶有较大的测温范围，但温度曲线呈非线性，精度低；基于半导体的传感器，一般集成到IC中，体积小，但精度很低，测温范围也较窄；红外测温传感器可以实现远距离测温，但是精度较低，容易受外界环境影响。热敏电阻由于温度系数不同可分为PTC（正温度系数）、NTC（负温度系数）两种，又由于材料不同可分为多种类型的热敏电阻，性能也参差不齐。其中热电阻（RTD）相对于其他几种温度传感器精度更高、线性度好、抗干扰能力强。铂热电阻较高可达到0.1℃精度，适合作为温度补偿传感器等对精度和稳定性要求较高的应用。

RTD的阻值会随温度的变化而线性变化，常见的RTD有铂、镍、铜等几种材质，其中铂热电阻的线性度最好。一般使用较多的铂电阻有PT100、PT1000。0℃下，PT100的阻值为100Ω，PT1000的阻值为1kΩ；温度每变化1℃，PT100的阻值增大或减小约0.385Ω，PT1000的阻值增大或减小约3.85Ω，所以我们可以通过采集RTD的阻值来换算出被测温度数值。PT1000的测温范围相对比PT100小，但精度更高。如果测温范围较小：-50℃～+300℃，对测温精度要求较高的应用，推荐选用PT1000。

图2 三种RTD温度特性曲线对比
 PH检测仪中的温度补偿应用

PH检测仪是用来检测液体酸碱度的仪器，利用溶液的电化学性质测量氢离子浓度，推算出溶液的酸碱度。计算方法是依据能斯特方程原理来实现的，方程式中PH电极的电动势和PH值呈线性关系。通常PH检测仪中会先用两种不同PH值的标准缓冲液进行标定，确定能斯特方程中曲线的斜率，之后通过采集PH电极电动势来确定PH值。从方程中可以看出，溶液的电动势ΔE与温度T也呈线性关系，所以当样片溶液测量时的温度与标准缓冲液标定时的温度（一般为25℃）不同时，会影响电动势的测量结果，从而影响到实际温度下测量的PH值。

E：电动势

E0：标准电动势，常数

R：气体常数（8.314J/mol*K）

T：开氏绝对温度（K）

n：被测离子的化合价（银=1，氢=1）

F：法拉第常数（96485C/mol）

αH+：被测溶液的H+活度

图3 PH测量图示那要如何才能避免温度带来的影响呢？首先我们知道温度是影响能斯特方程中的斜率来影响PH值的，通过计算大约会带来0.003PH/℃的误差，影响还是比较明显的，所以对于精度要求高于0.1PH精度的PH检测仪都需要有温度补偿，来修正实际测量时的斜率。同时，因为溶液本身的PH值也受温度的影响，所以仅对电极斜率的补偿称为半补偿，如果需要得到更精确的PH值，还需对被测溶液进行温度补偿，即全补偿。

PH检测仪通常使用PT1000作为温度补偿传感器，先用PT1000传感器测量标准缓冲液中的温度值，标定该温度下的PH值；再测量被测溶液的温度值、PH电极的电压值，通过能斯特方程计算出被测溶液的PH值。测量过程中，应保持标准缓冲液与被测溶液处于同一温度下。

 TPS02RBH实现稳定高精度的温度测量

从上面的例子可以看出，温度补偿对于精度较高的测量仪器是必不可少的。我司最新推出的TPS02RBH双通道PT1000隔离测温模块，具备宽测温范围，低温漂系数，可实现0.02%±0.1℃的高精度测温。模块出厂自带校准，只需接入PT1000即可通过I2C直接输出以℃为单位的温度数据，简单易用，稳定可靠，可广泛应用于各类测量仪器的温度补偿。

图4 TPS02RBH直接输出℃温度数据

产品特点：

• 双通道PT1000测量；
• -100~+300℃测温范围；
• 0.01℃测温分辨率；
• 0.02%±0.1℃测温精度；
• 10ppm/℃温漂；
• I2C通信接口；
• 隔离耐压4000Vrms；
• 工作环境：-40℃~+85℃。