RTD基礎(chǔ)知識——電阻溫度檢測器簡介

了解RTD的基礎(chǔ)知識，即使用RTD溫度傳感器的利弊，這些傳感器中使用的金屬，薄膜RTD和線繞RTD。

電阻溫度檢測器RTD可能是最簡單的溫度傳感器類型之一。這些設(shè)備的工作原理是金屬的電阻隨溫度而變化。純金屬通常具有正電阻溫度系數(shù)，這意味著它們的電阻隨著溫度的升高而增加。RTD可以在-200°C至+850°C的大溫度范圍內(nèi)工作，并且具有高精度、優(yōu)異的長期穩(wěn)定性和可重復(fù)性。

在本文中，我們將介紹使用RTD的利弊、其中使用的金屬、兩種類型的RTD以及RTD與熱電偶的比較。

在深入之前，讓我們先來看一個(gè)示例應(yīng)用程序圖，以便更好地理解RTD基礎(chǔ)知識。

RTD應(yīng)用示例圖

RTD是一種無源器件，本身不產(chǎn)生輸出信號。圖1顯示了一個(gè)簡化的RTD應(yīng)用圖。

RTD應(yīng)用示例圖。

圖1。RTD應(yīng)用示例圖。圖片由TI提供

勵(lì)磁電流I1通過傳感器的溫度相關(guān)電阻。這會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與勵(lì)磁電流和RTD電阻成比例的電壓信號。然后，RTD兩端的電壓被放大并傳送到ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器），以產(chǎn)生可用于計(jì)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)缺點(diǎn)

在深入探討之前，值得注意的是，RTD信號調(diào)節(jié)的細(xì)節(jié)將在以后的文章中加以闡述。至于這篇文章，我想強(qiáng)調(diào)一些使用RTD電路時(shí)需要權(quán)衡的基本問題。

首先，請注意，勵(lì)磁電流通常限制在1mA以下，以盡量減少自熱效應(yīng)。當(dāng)勵(lì)磁電流流過RTD時(shí)，會(huì)產(chǎn)生I2R或焦耳熱。自熱效應(yīng)可以將傳感器溫度提高到高于其周圍環(huán)境的溫度，而周圍環(huán)境實(shí)際上是正在被測量的。降低勵(lì)磁電流可以減少自熱效應(yīng)。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)比浸入流動(dòng)水中的RTD的自熱效應(yīng)更明顯。

對于給定的最小可檢測溫度變化，RTD電壓的變化應(yīng)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)限制了勵(lì)磁電流，我們需要使用具有足夠大電阻的RTD，因此為下游信號處理塊產(chǎn)生相對較大的電壓。雖然需要更大的RTD電阻來減少測量誤差，但我們不能任意增加電阻，因?yàn)榇蟮腞TD電阻會(huì)導(dǎo)致響應(yīng)時(shí)間變慢。

RTD金屬：鉑RTD、金RTD和銅RTD之間的差異

理論上，任何一種金屬都可以用來構(gòu)建RTD。1860年，西門子發(fā)明了有史以來第一個(gè)RTD，它使用了一根銅線。然而，西門子很快發(fā)現(xiàn)鉑電阻溫度檢測器在更寬的溫度范圍內(nèi)產(chǎn)生了更準(zhǔn)確的結(jié)果。

如今，鉑電阻溫度檢測器是精密測溫中使用最廣泛的溫度傳感器。鉑具有線性電阻-溫度關(guān)系，在較大的溫度范圍內(nèi)具有高重復(fù)性。此外，鉑不會(huì)與空氣中的大多數(shù)污染物氣體發(fā)生反應(yīng)。

除了鉑，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

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，更低的電阻）。對于給定的傳感器尺寸和激勵(lì)電流，銅RTD可以產(chǎn)生相對較小的電壓。因此，銅RTD測量微小的溫度變化更具挑戰(zhàn)性。此外，銅在較高溫度下氧化，也僅限于-200至+260°C的測量范圍。盡管存在這些局限性，銅仍然被用于某些應(yīng)用中，因?yàn)樗哂芯€性和低成本。如下圖2所示，在三種常見的RTD金屬中，銅具有最線性的電阻-溫度特性。

鎳、銅和鉑電阻式溫度檢測器的電阻與溫度特性。

圖2:鎳、銅和鉑電阻式溫度檢測器的電阻與溫度特性。圖片由TE Connectivity提供

金和銀的電阻也相對較低，很少用作RTD元件。鎳的導(dǎo)電性接近鉑。如圖2所示，鎳在給定溫度變化下電阻變化最大。

然而，與鉑相比，鎳的溫度范圍更低，非線性更大，長期漂移也更大。此外，鎳的電阻在批次之間變化很大。由于這些局限性，鎳主要用于消費(fèi)品等低成本應(yīng)用。

常見的鉑電阻溫度檢測器是Pt100和Pt1000。這些名稱描述了傳感器結(jié)構(gòu)中使用的金屬類型（鉑或Pt）和0°C下的標(biāo)稱電阻，對于Pt100和Pt1000類型，分別為100Ω和1000Ω。Pt100型曾經(jīng)更受歡迎；然而，如今，趨勢是朝著更高電阻的RTD發(fā)展，因?yàn)楦叩碾娮杩梢栽诤苌倩驔]有額外成本的情況下提供更高的靈敏度和分辨率。由銅和鎳制成的RTD也使用類似的命名約定。表2列出了一些常見的類型。

表2。RTD類型、材料和溫度范圍。數(shù)據(jù)由Analog Devices提供

除了使用的金屬類型外，RTD的機(jī)械結(jié)構(gòu)也會(huì)影響傳感器的性能。RTD可分為兩種基本類型：薄膜型和線繞型。以下章節(jié)將討論這兩種類型。

薄膜電阻式溫度檢測器與線繞電阻式溫度檢測器

為了進(jìn)一步討論RTD，我們來探討兩種類型：薄膜和線繞。

薄膜電阻式溫度檢測器（RTD）基礎(chǔ)

薄膜型結(jié)構(gòu)如圖3（a）所示。

示例薄膜RTD，其中（a）顯示了結(jié)構(gòu)，而（b）顯示了不同的總體類型。

圖3。薄膜RTD的示例，其中（a）顯示了結(jié)構(gòu)，而（b）顯示了不同的總體類型。圖片（修改后）由Evosensors提供

在薄膜RTD中，在陶瓷基板上沉積了薄薄的一層鉑。隨后進(jìn)行高溫退火和穩(wěn)定處理，并覆蓋一層薄的保護(hù)玻璃層以覆蓋整個(gè)元件。圖3（a）所示的修整區(qū)域用于將制造電阻調(diào)整到指定的目標(biāo)值。

薄膜RTD依賴于相對較新的技術(shù)，能夠大幅減少裝配時(shí)間和生產(chǎn)成本。與線繞型相比，薄膜RTD更耐沖擊或振動(dòng)損壞，我們將在下一節(jié)深入探討線繞型。此外，薄膜RTD可以在相對較小的面積內(nèi)容納更大的電阻。例如，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。由于其尺寸小，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(diǎn)是長期穩(wěn)定性相對較差，溫度范圍較窄。

繞線式RTD

下圖4顯示了基本繞線RTD的結(jié)構(gòu)。

基本繞線式RTD的概述結(jié)構(gòu)。

圖4?；纠@線式RTD的概述結(jié)構(gòu)。圖片由PR Electronics提供

這種類型的RTD是通過在陶瓷或玻璃芯上纏繞一段鉑而制成的。整個(gè)元件通常封裝在陶瓷或玻璃管內(nèi)，以起到保護(hù)作用。陶瓷芯的RTD適用于測量非常高的溫度。線繞式RTD通常比薄膜式更精確。然而，它們更昂貴，更有可能因振動(dòng)而損壞。

為了盡量減少鉑絲的應(yīng)變，傳感器結(jié)構(gòu)中使用的材料的熱膨脹系數(shù)應(yīng)與鉑的熱膨脹系數(shù)相匹配。相同的熱膨脹系數(shù)最大限度地減少了長期應(yīng)力引起的RTD元件電阻變化，從而提高了傳感器的可重復(fù)性和穩(wěn)定性。

RTD與熱電偶屬性

要結(jié)束關(guān)于RTD溫度傳感器的對話，以下是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(gè)結(jié)之間的溫差成正比。雖然熱電偶是自供電的，不需要外部激勵(lì)，但基于RTD的溫度測量需要激勵(lì)電流或電壓。熱電偶輸出指定冷端和熱端之間的溫差，因此，熱電偶應(yīng)用中需要冷端補(bǔ)償。另一方面，RTD應(yīng)用中不需要冷端補(bǔ)償，這導(dǎo)致測量系統(tǒng)更簡單。