RTD 温度传感器的基本原理

 

“RTD”是“电阻温度检测器”的首字母缩写。通常，RTD 包含铂、镍或铜线，因为这些材料是正温度系数材料。这意味着随着温度升高电阻也随之增加 – 电阻的这种变化将用于探测和测量温度变化。

 

铂 RTD

铂 RTD 是工业应用中最常见的 RTD 类型。这是因为铂具有出色的耐腐蚀性，卓越的长期稳定性，并且测量温度范围很广 (-200…+850°C)。

 

镍 RTD

镍 RTD 比铂 RTD 便宜，并且具有良好的耐腐蚀性。但是，随着时间的推移，镍会加速老化，并且在较高温度下精度会降低。镍的温度测量范围为 -80…+260°C。

 

铜 RTD

铜 RTD 在三种类型 RTD 中具有最佳的电阻-温度线性关系，而且铜材料成本低廉。但是，铜在较高温度下会发生氧化。铜的测量范围为 -200…+260°C。

 

 

 

RTD 的构造

大多数 RTD 是通过以下三种方式之一制造配置：绕线 RTD，线圈元件 RTD 和薄膜 RTD。

 

 

绕线 RTD

 

 

在 绕线 RTD 中，电阻线绕在通常是由陶瓷制成的绝缘芯轴上。传感器制造商会通过仔细修剪电阻丝的长度，以达到在 0°C 时的规定电阻值。这称为“R₀”电阻。

 

接下来，将导线连接到电阻线上，然后在导线上施涂玻璃或陶瓷涂层进行保护。随着温度升高，电阻丝的长度会略微增加。设计中必须注意确保电阻丝不会随温度升高而发生扭曲或变形。因为机械应变会导致导线电阻发生变化。

 

校准和标准实验室使用的实验室级别 RTD 是通过将电阻丝松散地缠绕在绝缘支撑结构上来消除这种误差。该类型的 RTD 非常精准，但非常脆弱，并不适用于大多数工业应用。

 

 

线圈元件 RTD 

 

 

在 线圈元件 RTD 中，电阻丝被卷成小线圈，松散地封装进陶瓷管中，然后在管中填充绝缘粉末。电阻丝可随温度变化自由伸缩，从而最大程度地减少由机械应变引起的误差。粉末可提高热量传递到线圈中的速率，从而改善响应时间。线圈元件 RTD 通常由金属护套保护，并且适用于工业应用。

 

 

薄膜 RTD

 

 

 

薄膜 RTD 可批量生产且成本低于其他类型 RTD。薄膜 RTD 体积较小，并且响应速度比其他类型 RTD 快，这是许多应用所期望的效果。薄膜 RTD 是通过在陶瓷基体上沉积出一层薄薄的铂形成路径而制成。

 

制造商通过用激光打开路径中的并联分流器来调节 0°C 时的电阻。分流器开路越多，0°C 时的电阻越高。薄膜 RTD 的精度不如其他类型，是由于：

 

• 无法像其他类型 RTD 一样精确地调整 R₀ 电阻。
• 陶瓷基底和铂涂层的膨胀率略有差异。因此在较高温度下会产生应变误差。
• 由于薄膜 RTD 体积较小，因而 RTD 励磁电流更易导致其自身发热而产生略高的误差。

 

 

RTD 电阻比

术语“电阻比”表示 RTD 温度从 0°C 变为 +100°C 时温度与电阻的平均比率。电阻比的表达式为：

 

(R₁₀₀-R₀) / R₀

 

在此表达式中：

R₁₀₀ = 100°C 时的 RTD 电阻。

R₀ = 0°C 时的 RTD 电阻。

 

制造 RTD 所用的金属类型和纯度都会对电阻比造成影响。通常，具有高 R₀ 值和高电阻比的 RTD 更易于进行精确测量，但是电阻丝所采用金属的其他特性也会影响 RTD 的固有精度。

 

 

工业应用中的铂 RTD 通常符合 IEC 60751 标准。这些 RTD 的电阻比为 (138.5 Ω - 100 Ω)/100 Ω = 0.385 Ω / °C。在典型的工业应用中，将 RTD 插入不锈钢护套进行保护。

 

实验室级别 RTD 标准采用的是具有更高电阻比且更高纯度的铂：(139.2 Ω - 100 Ω)/100 Ω = 0.392 Ω / °C。在超过 +670°C 的温度下，不锈钢探头会释放出金属离子对高纯度的铂造成污染，引起电阻比变化。因此，这一类的 RTD 采用石英玻璃或铂制成的探头进行保护。这些探头材料在高温下仍能保持惰性，因此 RTD 能够不受污染。

 

符合 DIN 43760 的镍 RTD 的电阻比为 (161.7805 Ω – 100 Ω)/100Ω = 0.618 Ω / °C。美国常用的镍 RTD 的电阻比为 (200.64 Ω – 120 Ω)/120 Ω = 0.672 Ω / °C（如上图所示）。

 

铜 RTD[1] 有 R₀ = 9.035 Ω 或 100 Ω 可供选择。两种类型的电阻比均为 0.427：

 

(12.897 Ω - 9.035 Ω) / 9.035 Ω = 0.427 Ω / °C。

(142.7 Ω – 100 Ω) / 100 Ω = 0.427 Ω / °C。

 

 

使用镍或铜 RTD 的益处

在 0°C 时,镍会产生高电阻，并且具有高电阻比，镍 RTD 对温度变化的敏感性使其易于进行测量。镍 RTD 的这些特性还可将导线电阻引起的误差最小化。对于 RTD，导线电阻引起的近似误差为：

 

导线电阻 / (R₁₀₀-R₀) x 0.01

 

例如：

两线制镍 RTD 测量空气管道温度。每根导线的电阻为 0.25Ω，总导线电阻为 0.5Ω。

 

因此，由导线电阻引起的误差计算如下：

0.5 Ω / (161.78 – 100) x 0.01 = 0.81°C。这在许多应用中已经是非常逼近真实值了。

 

为进行比较，以下是具有相同导线电阻的两线制铂 RTD 的误差值：

0.5 Ω / (138.5 – 100) x 0.01 = 1.3°C。

 

因镍 RTD 非常灵敏，因此低成本、低精度的变送器便足以满足镍 RTD 的测量要求。在 HVAC（空调系统）和其他对价格敏感的工业应用中常见镍 RTD 的身影。

 

铜 RTD 具有与电动机和发电机中使用的铜绕组相同的热膨胀率和电磁滞后。因此，铜 RTD 往往用于测量绕组温度。

 

铜还具有线性度极高的温度与电阻关系。因此，对较窄的温度范围，无需额外的线性化处理就可以精确测量。

 

例如：

铜 100 RTD 在 0°C 时产生 100Ω 的电阻，在 100°C 时产生 142.743Ω 的电阻。线性外推出 50°C 时的理论电阻：(R₁₀₀ – R₀)/2 + R₀

 

= (142.743 – 100)/2 + 100 = 121.3715 Ω

 

根据已发布的“电阻与温度”表可知，RTD 在 50°C 时产生的电阻为 121.3715 Ω，因此 RTD 在 0…+ 100°C 范围内基本呈线性的。

 

除非测量范围跨度大，否则铜不会出现明显的非线性。例如，测量范围为 0…+200°C，线性外推得出 100°C 时的理论电阻为 (185.675 – 100)/2 + 100 = 142.838 Ω。但是，根据“电阻与温度”表，在 100°C 下的 RTD 电阻为 142.743 Ω。

 

+0.095 Ω 换算成 °C（温度）的差值为：0.095 Ω/0.427 Ω 每度 = 误差 +0.222°C。

 

RTD 公差

大多数传感器制造商制造的铂 RTD 的精度均符合 IEC 60751 或 ASTM E1137 标准。

 

IEC 60751 标准定义了四个公差等级：AA、A、B 和 C 级。ASTM E1137 标准定义了两个公差等级：A 和B 级。

 

 

 

请注意，IEC 60751 规定了每个级别的最高温度范围。例如，配备有线圈 RTD 元件的 A 级传感器在 -100…+450°C 温度范围内的公差必须维持在规定公差范围内。在此温度范围之外工作时，传感器精度可以默认为 B 级。

 

符合 ASTM E1137 A 级或 B 级公差的传感器在 -200…+650°C 温度范围内的公差必须维持在规定公差范围内。

 

下表为 RTD 各级别和等级的公差。请注意，C 级 RTD 在 600°C 时的公差宽至 ±6.6°C。大多数工业应用需要具有 B 级或更高级别公差的 RTD。

 

 

 

下图为符合 IEC60751 的 RTD 公差。您可以看到 RTD 在 0°C 时精度最高，随着温度升高或降低，误差均比 0°C 时大。