RTD 温度传感器的基本原理

 
RTD 温度传感器是广泛应用于工业过程中的常用温度测量设备。在本文中,我们将对其工作原理、最常见的类型以及其优缺点进行研究。

 

“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。

 

 

 

许多传感器制造商提供的 RTD 其公差优于 AA 级公差。这些高精度 RTD 的公差通常视作 B 级公差的一小部分。在下图中,“1/5 B级”RTD 在 -30…150°C 之间的公差仅为 ± (0.06 + 0.001 ǀ t ǀ)。该公差是 B 级 RTD 的五倍。

 

 

 

Callendar Van Dusen 方程

Callendar van Dusen 方程诠释了工业铂 RTD 的温度与电阻的关系。有两个 Callendar van Dusen 方程:

 

温度 < 0°C 时,给定温度的 RTD 电阻为:

Rt = R0[1 + At + Bt² + C (t - 100) t³]

 

温度 ≥0°C 时,给定温度的 RTD 电阻为:

Rt = R0(1 + At + Bt²)

 

系数 A、B、C 和 α、δ、β 对于每个 RTD 都是唯一的。以下值适用于符合 IEC 60751 和 ASTM E1137 标准的 RTD:

 

A = 3.9083 x 10-3

B = -5.775 x 10-7

C = -4.183 x 10-12

α = 3.85 x 10-3 *

β = 1.5°C

δ = 0.1086

 

*“α”是“Alpha”常数。Alpha 是电阻比 /100:

α = (R100 – R0) / (100 x R0).

符合 IEC 60751 的铂 RTD 的 alpha 为:

(138.5 – 100) / (100 x 100)

= 0.00385

 

镍 RTD 的 alpha 为:

0.672 / 100 = 0.00672。

 

铜 RTD 的 alpha 为:

0.427 / 100 = 0.00427。

 

RTD 特性

即使是高质量的 RTD 也不完全符合 IEC 60751 / ASTM E1137 R:T 曲线。为进一步提高测量精度,校准实验室可以“表征”RTD。通过仔细测量几个不同温度的 RTD 电阻,然后使用该数据得出 α、δ、β 以及 A、B 和 C 系数来进行表征。

 

可以使用这些系数对 5437 二线制 HART 7 温度变送器, the 5337 二线制 HART 变送器6337 二线制 HART 变送器,使变送器与表征后的 RTD 精确匹配,从而提供更为出色的测量精度。

 

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[1]注意:与铜 9.035 RTD 相比,铜 100 RTD 具有更高的 R100-R0 值,并且更易于进行测量。

 

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