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RTD 基礎(chǔ)知識——電阻溫度檢測器簡介

發(fā)布時間:2023-04-17 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】電阻溫度檢測器或 RTD 可能是簡單的溫度傳感器類型。這些設(shè)備的工作原理是金屬的電阻隨溫度變化。純金屬通常具有正的電阻溫度系數(shù),這意味著它們的電阻隨溫度升高而增加。RTD 可在 -200 °C 至 +850 °C 的較大溫度范圍內(nèi)工作,并提供高精度、出色的長期穩(wěn)定性和可重復(fù)性。


電阻溫度檢測器或 RTD 可能是簡單的溫度傳感器類型。這些設(shè)備的工作原理是金屬的電阻隨溫度變化。純金屬通常具有正的電阻溫度系數(shù),這意味著它們的電阻隨溫度升高而增加。RTD 可在 -200 °C 至 +850 °C 的較大溫度范圍內(nèi)工作,并提供高精度、出色的長期穩(wěn)定性和可重復(fù)性。

在本文中,我們將討論使用 RTD 的權(quán)衡、其中使用的金屬、兩種類型的 RTD,以及 RTD 與熱電偶的比較。 

在深入探討之前,讓我們先看一個示例應(yīng)用程序圖,以更好地了解 RTD 基礎(chǔ)知識。 

RTD 應(yīng)用圖示例

RTD 是一種無源設(shè)備,不會自行產(chǎn)生輸出信號。圖 1 顯示了一個簡化的 RTD 應(yīng)用圖。


RTD 基礎(chǔ)知識——電阻溫度檢測器簡介
圖 1.  RTD 應(yīng)用圖示例。圖片由TI提供


激勵電流 I1 通過傳感器的溫度相關(guān)電阻。這會產(chǎn)生一個與激勵電流和 RTD 電阻成正比的電壓信號。RTD 兩端的電壓然后被放大并傳送到 ADC (模數(shù)轉(zhuǎn)換器)以產(chǎn)生可用于計算 RTD 溫度的數(shù)字輸出代碼。

使用 RTD 傳感器的權(quán)衡——RTD 傳感器的優(yōu)點和缺點

在深入研究之前,請務(wù)必注意 RTD 信號調(diào)理的詳細信息將在以后的文章中介紹。對于本文,我想強調(diào)使用 RTD 電路時的一些基本權(quán)衡。

首先,請注意,激勵電流通常限制在 1 mA 左右,以限度地減少自熱效應(yīng)。當激勵電流流過 RTD 時,它會產(chǎn)生 I 2 R 或焦耳熱。自熱效應(yīng)可以將傳感器溫度升高到高于實際測量的周圍環(huán)境溫度的值。減小勵磁電流可以降低自熱效應(yīng)。還值得一提的是,自熱效應(yīng)取決于 RTD 浸入的介質(zhì)。例如,放置在靜止空氣中的 RTD 的自熱效應(yīng)可能比浸入流動水中的 RTD 更明顯。

對于給定的可檢測溫度變化,RTD 電壓的變化應(yīng)該足夠大以克服系統(tǒng)噪聲以及不同系統(tǒng)參數(shù)的偏移和漂移。由于自熱效應(yīng)限制了激勵電流,我們需要使用電阻足夠大的RTD,因此會為下游信號處理塊產(chǎn)生較大的電壓。雖然需要較大的 RTD 電阻以減少測量誤差,但我們不能任意增加電阻,因為較大的 RTD 電阻會導(dǎo)致響應(yīng)時間變慢。

RTD 金屬:鉑 RTD、金 RTD 和銅 RTD 之間的區(qū)別

理論上,任何種類的金屬都可用于構(gòu)建 RTD。1860 年CW Siemens 發(fā)明的個 RTD使用了一根銅線。然而,西門子很快發(fā)現(xiàn)鉑 RTD在更寬的溫度范圍內(nèi)產(chǎn)生更準確的結(jié)果。

如今,鉑 RTD 是精密測溫中使用廣泛的溫度傳感器。鉑金具有線性電阻-溫度關(guān)系,并且在大溫度范圍內(nèi)具有高可重復(fù)性。此外,鉑不會與空氣中的大多數(shù)污染物氣體發(fā)生反應(yīng)。

除了鉑之外,另外兩種常見的 RTD 材料是鎳和銅。表 1 提供了一些常見 RTD 金屬的溫度系數(shù)和相對電導(dǎo)率。



表 1. 常見 RTD 金屬的溫度系數(shù)和相對電導(dǎo)率。數(shù)據(jù)由BAPI提供

金屬

相對電導(dǎo)率(銅 = 100% @ 20 °C)

電阻溫度系數(shù)

退火銅

100%

0.00393 Ω/Ω/°C

金子

65%

0.0034 Ω/Ω/°C

17.70%

0.005 Ω/Ω/°C

12-16%

0.006 Ω/Ω/°C

15%

0.0039 歐姆/歐姆/°C

106%

0.0038 Ω/Ω/°C


在上一節(jié)中,我們討論了較大的 RTD 電阻可以減少測量誤差。與鉑和鎳相比,銅具有更高的導(dǎo)電性(或等效地,具有更低的電阻)。對于給定的傳感器尺寸和激勵電流,銅質(zhì) RTD 可以產(chǎn)生相對較小的電壓。因此,銅質(zhì) RTD 測量微小的溫度變化可能更具挑戰(zhàn)性。此外,銅在較高溫度下會氧化,因此測量范圍也僅限于 -200 至 +260 °C。盡管存在這些限制,但由于其線性度和低成本,銅仍在某些應(yīng)用中使用。如下圖 2 所示,在三種常見的 RTD 金屬中,銅具有線性的電阻-溫度特性。


RTD 基礎(chǔ)知識——電阻溫度檢測器簡介
圖 3. 薄膜 RTD 示例,其中 (a) 顯示結(jié)構(gòu),(b) 顯示不同的總體類型。圖片(修改后)由Evosensors提供


在薄膜 RTD 中,鉑薄層沉積在陶瓷基板上。隨后是非常高溫的退火和穩(wěn)定化,以及覆蓋整個元件的薄保護玻璃層。圖 3(a) 中所示的修整區(qū)域用于將制造的電阻調(diào)整到指定的目標值。

薄膜 RTD 依賴于相對較新的技術(shù),能夠顯著減少組裝時間和生產(chǎn)成本。與我們將在下一節(jié)中深入探討的繞線型相比,薄膜 RTD 更能抵抗沖擊或振動造成的損壞。此外,薄膜 RTD 可以在相對較小的面積內(nèi)容納較大的電阻。例如,一個 1.6 mm ? 2.6 mm 的傳感器提供了足夠的面積來產(chǎn)生 1000 Ω 的電阻。由于體積小,薄膜 RTD 可以快速響應(yīng)溫度變化。這些設(shè)備適合許多通用應(yīng)用。這種類型的缺點是長期穩(wěn)定性相對較差,溫度范圍較窄。

線繞 RTD

下面的圖 4 顯示了基本繞線 RTD 的結(jié)構(gòu)。


RTD 基礎(chǔ)知識——電阻溫度檢測器簡介

圖 4. 基本繞線 RTD 的結(jié)構(gòu)概覽。圖片由PR Electronics提供


這種類型的 RTD 是通過將一段鉑金纏繞在陶瓷或玻璃芯上而制成的。出于保護目的,整個元件通常封裝在陶瓷或玻璃管內(nèi)。帶有陶瓷芯的 RTD 適用于測量非常高的溫度。繞線 RTD 通常比薄膜類型更準確。然而,它們更昂貴并且更容易被振動損壞。

為了限度地減少鉑絲上的任何應(yīng)變,傳感器結(jié)構(gòu)中使用的材料的熱膨脹系數(shù)應(yīng)與鉑相匹配。相同的熱膨脹系數(shù)可限度地減少 RTD 元件的長期應(yīng)力引起的電阻變化,從而提高傳感器的可重復(fù)性和穩(wěn)定性。

RTD 與熱電偶屬性

為了結(jié)束關(guān)于 RTD 溫度傳感器的對話,下面是 RTD 和熱電偶傳感器之間的簡短比較。

熱電偶產(chǎn)生的電壓與其兩個結(jié)之間的溫差成正比。熱電偶是自供電的,不需要外部激勵,而基于 RTD 的溫度測量則需要激勵電流或電壓。熱電偶輸出指定冷端和熱端之間的溫差,因此在熱電偶應(yīng)用中需要冷端補償。另一方面,RTD 應(yīng)用不需要冷端補償,從而使測量系統(tǒng)更加簡單。

熱電偶通常用于 -184 °C 至 2300 °C 范圍,而 RTD 可以測量 -200 °C 至 +850 °C 范圍。盡管 RTD 通常比熱電偶更準確,但它們的價格大約是熱電偶的兩到三倍。另一個區(qū)別是 RTD 比熱電偶更線性,并且表現(xiàn)出出色的長期穩(wěn)定性。對于熱電偶,傳感器材料中的化學(xué)變化會降低長期穩(wěn)定性并導(dǎo)致傳感器讀數(shù)漂移。


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