RTD 溫度傳感器的基本原理
RTD 溫度傳感器是廣泛應(yīng)用于工業(yè)過(guò)程中的常用溫度測(cè)量設(shè)備。在本文中，我們將對(duì)其工作原理、最常見(jiàn)的類(lèi)型以及其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行研究。
“RTD”是“電阻溫度檢測(cè)器”的首字母縮寫(xiě)。通常，RTD 包含鉑、鎳或銅線(xiàn)，因?yàn)檫@些材料是正溫度系數(shù)材料。這意味著隨著溫度升高電阻也隨之增加 – 電阻的這種變化將用于探測(cè)和測(cè)量溫度變化。
鉑 RTD
鉑 RTD 是工業(yè)應(yīng)用中最常見(jiàn)的 RTD 類(lèi)型。這是因?yàn)殂K具有出色的耐腐蝕性，卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，并且測(cè)量溫度范圍很廣 (-200…+850°C)。
鎳 RTD
鎳 RTD 比鉑 RTD 便宜，并且具有良好的耐腐蝕性。但是，隨著時(shí)間的推移，鎳會(huì)加速老化，并且在較高溫度下精度會(huì)降低。鎳的溫度測(cè)量范圍為 -80…+260°C。
銅 RTD
銅 RTD 在三種類(lèi)型 RTD 中具有最佳的電阻-溫度線(xiàn)性關(guān)系，而且銅材料成本低廉。但是，銅在較高溫度下會(huì)發(fā)生氧化。銅的測(cè)量范圍為 -200…+260°C。
RTD 的構(gòu)造
大多數(shù) RTD 是通過(guò)以下三種方式之一制造配置：繞線(xiàn) RTD，線(xiàn)圈元件 RTD 和薄膜 RTD。
繞線(xiàn) RTD
在 繞線(xiàn) RTD 中，電阻線(xiàn)繞在通常是由陶瓷制成的絕緣芯軸上。傳感器制造商會(huì)通過(guò)仔細(xì)修剪電阻絲的長(zhǎng)度，以達(dá)到在 0°C 時(shí)的規(guī)定電阻值。這稱(chēng)為“R0”電阻。
接下來(lái)，將導(dǎo)線(xiàn)連接到電阻線(xiàn)上，然后在導(dǎo)線(xiàn)上施涂玻璃或陶瓷涂層進(jìn)行保護(hù)。隨著溫度升高，電阻絲的長(zhǎng)度會(huì)略微增加。設(shè)計(jì)中必須注意確保電阻絲不會(huì)隨溫度升高而發(fā)生扭曲或變形。因?yàn)闄C(jī)械應(yīng)變會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)線(xiàn)電阻發(fā)生變化。
校準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室使用的實(shí)驗(yàn)室級(jí)別 RTD 是通過(guò)將電阻絲松散地纏繞在絕緣支撐結(jié)構(gòu)上來(lái)消除這種誤差。該類(lèi)型的 RTD 非常精準(zhǔn)，但非常脆弱，并不適用于大多數(shù)工業(yè)應(yīng)用。
線(xiàn)圈元件 RTD
在 線(xiàn)圈元件 RTD 中，電阻絲被卷成小線(xiàn)圈，松散地封裝進(jìn)陶瓷管中，然后在管中填充絕緣粉末。電阻絲可隨溫度變化自由伸縮，從而最大程度地減少由機(jī)械應(yīng)變引起的誤差。粉末可提高熱量傳遞到線(xiàn)圈中的速率，從而改善響應(yīng)時(shí)間。線(xiàn)圈元件 RTD 通常由金屬護(hù)套保護(hù)，并且適用于工業(yè)應(yīng)用。
薄膜 RTD
薄膜 RTD 可批量生產(chǎn)且成本低于其他類(lèi)型 RTD。薄膜 RTD 體積較小，并且響應(yīng)速度比其他類(lèi)型 RTD 快，這是許多應(yīng)用所期望的效果。薄膜 RTD 是通過(guò)在陶瓷基體上沉積出一層薄薄的鉑形成路徑而制成。
制造商通過(guò)用激光打開(kāi)路徑中的并聯(lián)分流器來(lái)調(diào)節(jié) 0°C 時(shí)的電阻。分流器開(kāi)路越多，0°C 時(shí)的電阻越高。薄膜 RTD 的精度不如其他類(lèi)型，是由于：
- 無(wú)法像其他類(lèi)型 RTD 一樣精確地調(diào)整 R0 電阻。
- 陶瓷基底和鉑涂層的膨脹率略有差異。因此在較高溫度下會(huì)產(chǎn)生應(yīng)變誤差。
- 由于薄膜 RTD 體積較小，因而 RTD 勵(lì)磁電流更易導(dǎo)致其自身發(fā)熱而產(chǎn)生略高的誤差。
RTD 電阻比
術(shù)語(yǔ)“電阻比”表示 RTD 溫度從 0°C 變?yōu)?+100°C 時(shí)溫度與電阻的平均比率。電阻比的表達(dá)式為：
(R100-R0) / R0
在此表達(dá)式中：
R100 = 100°C 時(shí)的 RTD 電阻。
R0 = 0°C 時(shí)的 RTD 電阻。
制造 RTD 所用的金屬類(lèi)型和純度都會(huì)對(duì)電阻比造成影響。通常，具有高 R0 值和高電阻比的 RTD 更易于進(jìn)行精確測(cè)量，但是電阻絲所采用金屬的其他特性也會(huì)影響 RTD 的固有精度。
工業(yè)應(yīng)用中的鉑 RTD 通常符合 IEC 60751 標(biāo)準(zhǔn)。這些 RTD 的電阻比為 (138.5 ? - 100 ?)/100 ? = 0.385 ? / °C。在典型的工業(yè)應(yīng)用中，將 RTD 插入不銹鋼護(hù)套進(jìn)行保護(hù)。
實(shí)驗(yàn)室級(jí)別 RTD 標(biāo)準(zhǔn)采用的是具有更高電阻比且更高純度的鉑：(139.2 ? - 100 ?)/100 ? = 0.392 ? / °C。在超過(guò) +670°C 的溫度下，不銹鋼探頭會(huì)釋放出金屬離子對(duì)高純度的鉑造成污染，引起電阻比變化。因此，這一類(lèi)的 RTD 采用石英玻璃或鉑制成的探頭進(jìn)行保護(hù)。這些探頭材料在高溫下仍能保持惰性，因此 RTD 能夠不受污染。
符合 DIN 43760 的鎳 RTD 的電阻比為 (161.7805 ? – 100 ?)/100Ω = 0.618 ? / °C。美國(guó)常用的鎳 RTD 的電阻比為 (200.64 ? – 120 ?)/120 ? = 0.672 Ω / °C（如上圖所示）。
銅 RTD[1] 有 R0 = 9.035 ? 或 100 ? 可供選擇。兩種類(lèi)型的電阻比均為 0.427：
(12.897 ? - 9.035 ?) / 9.035 ? = 0.427 ? / °C。
(142.7 ? – 100 ?) / 100 ? = 0.427 ? / °C。
使用鎳或銅 RTD 的益處
在 0°C 時(shí),鎳會(huì)產(chǎn)生高電阻，并且具有高電阻比，鎳 RTD 對(duì)溫度變化的敏感性使其易于進(jìn)行測(cè)量。鎳 RTD 的這些特性還可將導(dǎo)線(xiàn)電阻引起的誤差最小化。對(duì)于 RTD，導(dǎo)線(xiàn)電阻引起的近似誤差為：
導(dǎo)線(xiàn)電阻 / (R100-R0) x 0.01
例如：
兩線(xiàn)制鎳 RTD 測(cè)量空氣管道溫度。每根導(dǎo)線(xiàn)的電阻為 0.25Ω，總導(dǎo)線(xiàn)電阻為 0.5Ω。
因此，由導(dǎo)線(xiàn)電阻引起的誤差計(jì)算如下：
0.5 ? / (161.78 – 100) x 0.01 = 0.81°C。這在許多應(yīng)用中已經(jīng)是非常逼近真實(shí)值了。
為進(jìn)行比較，以下是具有相同導(dǎo)線(xiàn)電阻的兩線(xiàn)制鉑 RTD 的誤差值：
0.5 ? / (138.5 – 100) x 0.01 = 1.3°C。
因鎳 RTD 非常靈敏，因此低成本、低精度的變送器便足以滿(mǎn)足鎳 RTD 的測(cè)量要求。在 HVAC（空調(diào)系統(tǒng)）和其他對(duì)價(jià)格敏感的工業(yè)應(yīng)用中常見(jiàn)鎳 RTD 的身影。
銅 RTD 具有與電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)中使用的銅繞組相同的熱膨脹率和電磁滯后。因此，銅 RTD 往往用于測(cè)量繞組溫度。
銅還具有線(xiàn)性度極高的溫度與電阻關(guān)系。因此，對(duì)較窄的溫度范圍，無(wú)需額外的線(xiàn)性化處理就可以精確測(cè)量。
例如：
銅 100 RTD 在 0°C 時(shí)產(chǎn)生 100Ω 的電阻，在 100°C 時(shí)產(chǎn)生 142.743Ω 的電阻。線(xiàn)性外推出 50°C 時(shí)的理論電阻：(R100 – R0)/2 + R0
= (142.743 – 100)/2 + 100 = 121.3715 ?
根據(jù)已發(fā)布的“電阻與溫度”表可知，RTD 在 50°C 時(shí)產(chǎn)生的電阻為 121.3715 ?，因此 RTD 在 0…+ 100°C 范圍內(nèi)基本呈線(xiàn)性的。
除非測(cè)量范圍跨度大，否則銅不會(huì)出現(xiàn)明顯的非線(xiàn)性。例如，測(cè)量范圍為 0…+200°C，線(xiàn)性外推得出 100°C 時(shí)的理論電阻為 (185.675 – 100)/2 + 100 = 142.838 Ω。但是，根據(jù)“電阻與溫度”表，在 100°C 下的 RTD 電阻為 142.743 Ω。
+0.095 ? 換算成 °C（溫度）的差值為：0.095 ?/0.427 ? 每度 = 誤差 +0.222°C。
RTD 公差
大多數(shù)傳感器制造商制造的鉑 RTD 的精度均符合 IEC 60751 或 ASTM E1137 標(biāo)準(zhǔn)。
IEC 60751 標(biāo)準(zhǔn)定義了四個(gè)公差等級(jí)：AA、A、B 和 C 級(jí)。ASTM E1137 標(biāo)準(zhǔn)定義了兩個(gè)公差等級(jí)：A 和B 級(jí)。
請(qǐng)注意，IEC 60751 規(guī)定了每個(gè)級(jí)別的最高溫度范圍。例如，配備有線(xiàn)圈 RTD 元件的 A 級(jí)傳感器在 -100…+450°C 溫度范圍內(nèi)的公差必須維持在規(guī)定公差范圍內(nèi)。在此溫度范圍之外工作時(shí)，傳感器精度可以默認(rèn)為 B 級(jí)。
符合 ASTM E1137 A 級(jí)或 B 級(jí)公差的傳感器在 -200…+650°C 溫度范圍內(nèi)的公差必須維持在規(guī)定公差范圍內(nèi)。
下表為 RTD 各級(jí)別和等級(jí)的公差。請(qǐng)注意，C 級(jí) RTD 在 600°C 時(shí)的公差寬至 ±6.6°C。大多數(shù)工業(yè)應(yīng)用需要具有 B 級(jí)或更高級(jí)別公差的 RTD。
下圖為符合 IEC60751 的 RTD 公差。您可以看到 RTD 在 0°C 時(shí)精度最高，隨著溫度升高或降低，誤差均比 0°C 時(shí)大。
許多傳感器制造商提供的 RTD 其公差優(yōu)于 AA 級(jí)公差。這些高精度 RTD 的公差通常視作 B 級(jí)公差的一小部分。在下圖中，“1/5 B級(jí)”RTD 在 -30…150°C 之間的公差僅為 ± (0.06 + 0.001 ? t ?)。該公差是 B 級(jí) RTD 的五倍。
Callendar Van Dusen 方程
Callendar van Dusen 方程詮釋了工業(yè)鉑 RTD 的溫度與電阻的關(guān)系。有兩個(gè) Callendar van Dusen 方程：
溫度 < 0°C 時(shí)，給定溫度的 RTD 電阻為：
Rt = R0[1 + At + Bt2 + C (t - 100) t3]
溫度 ≥0°C 時(shí)，給定溫度的 RTD 電阻為：
Rt = R0(1 + At + Bt2)
系數(shù) A、B、C 和 α、δ、β 對(duì)于每個(gè) RTD 都是唯一的。以下值適用于符合 IEC 60751 和 ASTM E1137 標(biāo)準(zhǔn)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”常數(shù)。Alpha 是電阻比 /100：
α = (R100 – R0) / (100 x R0).
符合 IEC 60751 的鉑 RTD 的 alpha 為：
(138.5 – 100) / (100 x 100)
= 0.00385
鎳 RTD 的 alpha 為：
0.672 / 100 = 0.00672。
銅 RTD 的 alpha 為：
0.427 / 100 = 0.00427。
RTD 特性
即使是高質(zhì)量的 RTD 也不完全符合 IEC 60751 / ASTM E1137 R:T 曲線(xiàn)。為進(jìn)一步提高測(cè)量精度，校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室可以“表征”RTD。通過(guò)仔細(xì)測(cè)量幾個(gè)不同溫度的 RTD 電阻，然后使用該數(shù)據(jù)得出 α、δ、β 以及 A、B 和 C 系數(shù)來(lái)進(jìn)行表征。
可以使用這些系數(shù)對(duì) 5437 二線(xiàn)制 HART 7 溫度變送器, the 5337 二線(xiàn)制 HART 變送器 和 6337 二線(xiàn)制 HART 變送器，使變送器與表征后的 RTD 精確匹配，從而提供更為出色的測(cè)量精度。
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[1]注意：與銅 9.035 RTD 相比，銅 100 RTD 具有更高的 R100-R0 值，并且更易于進(jìn)行測(cè)量。
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