RTD 基礎知識——電阻溫度檢測器簡(jiǎn)介

電阻溫度檢測器或 RTD 可能是簡(jiǎn)單的溫度傳感器類(lèi)型。這些設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，這意味著(zhù)它們的電阻隨溫度升高而增加。RTD 可在 -200 °C 至 +850 °C 的較大溫度范圍內工作，并提供高精度、出色的長(cháng)期穩定性和可重復性。

電阻溫度檢測器或 RTD 可能是簡(jiǎn)單的溫度傳感器類(lèi)型。這些設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，這意味著(zhù)它們的電阻隨溫度升高而增加。RTD 可在 -200 °C 至 +850 °C 的較大溫度范圍內工作，并提供高精度、出色的長(cháng)期穩定性和可重復性。
在本文中，我們將討論使用 RTD 的權衡、其中使用的金屬、兩種類(lèi)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(gè)示例應用程序圖，以更好地了解 RTD 基礎知識。 
RTD 應用圖示例
RTD 是一種無(wú)源設備，不會(huì )自行產(chǎn)生輸出信號。圖 1 顯示了一個(gè)簡(jiǎn)化的 RTD 應用圖。

圖 1.  RTD 應用圖示例。圖片由TI提供

激勵電流 I1 通過(guò)傳感器的溫度相關(guān)電阻。這會(huì )產(chǎn)生一個(gè)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 （模數轉換器）以產(chǎn)生可用于計算 RTD 溫度的數字輸出代碼。
使用 RTD 傳感器的權衡——RTD 傳感器的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)
在深入研究之前，請務(wù)必注意 RTD 信號調理的詳細信息將在以后的文章中介紹。對于本文，我想強調使用 RTD 電路時(shí)的一些基本權衡。
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。當激勵電流流過(guò) RTD 時(shí)，它會(huì )產(chǎn)生 I 2 R 或焦耳熱。自熱效應可以將傳感器溫度升高到高于實(shí)際測量的周?chē)h(huán)境溫度的值。減小勵磁電流可以降低自熱效應。還值得一提的是，自熱效應取決于 RTD 浸入的介質(zhì)。例如，放置在靜止空氣中的 RTD 的自熱效應可能比浸入流動(dòng)水中的 RTD 更明顯。
對于給定的可檢測溫度變化，RTD 電壓的變化應該足夠大以克服系統噪聲以及不同系統參數的偏移和漂移。由于自熱效應限制了激勵電流，我們需要使用電阻足夠大的RTD，因此會(huì )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(huì )導致響應時(shí)間變慢。
RTD 金屬：鉑 RTD、金 RTD 和銅 RTD 之間的區別
理論上，任何種類(lèi)的金屬都可用于構建 RTD。1860 年CW Siemens 發(fā)明的個(gè) RTD使用了一根銅線(xiàn)。然而，西門(mén)子很快發(fā)現鉑 RTD在更寬的溫度范圍內產(chǎn)生更準確的結果。
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(xiàn)性電阻-溫度關(guān)系，并且在大溫度范圍內具有高可重復性。此外，鉑不會(huì )與空氣中的大多數污染物氣體發(fā)生反應。
除了鉑之外，另外兩種常見(jiàn)的 RTD 材料是鎳和銅。表 1 提供了一些常見(jiàn) RTD 金屬的溫度系數和相對電導率。

表 1. 常見(jiàn) RTD 金屬的溫度系數和相對電導率。數據由BAPI提供

在上一節中，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性。此外，銅在較高溫度下會(huì )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(xiàn)性度和低成本，銅仍在某些應用中使用。如下圖 2 所示，在三種常見(jiàn)的 RTD 金屬中，銅具有線(xiàn)性的電阻-溫度特性。

圖 3. 薄膜 RTD 示例，其中 (a) 顯示結構，(b) 顯示不同的總體類(lèi)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定化，以及覆蓋整個(gè)元件的薄保護玻璃層。圖 3(a) 中所示的修整區域用于將制造的電阻調整到指定的目標值。
薄膜 RTD 依賴(lài)于相對較新的技術(shù)，能夠顯著(zhù)減少組裝時(shí)間和生產(chǎn)成本。與我們將在下一節中深入探討的繞線(xiàn)型相比，薄膜 RTD 更能抵抗沖擊或振動(dòng)造成的損壞。此外，薄膜 RTD 可以在相對較小的面積內容納較大的電阻。例如，一個(gè) 1.6 mm ? 2.6 mm 的傳感器提供了足夠的面積來(lái)產(chǎn)生 1000 Ω 的電阻。由于體積小，薄膜 RTD 可以快速響應溫度變化。這些設備適合許多通用應用。這種類(lèi)型的缺點(diǎn)是長(cháng)期穩定性相對較差，溫度范圍較窄。
線(xiàn)繞 RTD
下面的圖 4 顯示了基本繞線(xiàn) RTD 的結構。

圖 4. 基本繞線(xiàn) RTD 的結構概覽。圖片由PR Electronics提供

這種類(lèi)型的 RTD 是通過(guò)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(gè)元件通常封裝在陶瓷或玻璃管內。帶有陶瓷芯的 RTD 適用于測量非常高的溫度。繞線(xiàn) RTD 通常比薄膜類(lèi)型更準確。然而，它們更昂貴并且更容易被振動(dòng)損壞。
為了限度地減少鉑絲上的任何應變，傳感器結構中使用的材料的熱膨脹系數應與鉑相匹配。相同的熱膨脹系數可限度地減少 RTD 元件的長(cháng)期應力引起的電阻變化，從而提高傳感器的可重復性和穩定性。
RTD 與熱電偶屬性
為了結束關(guān)于 RTD 溫度傳感器的對話(huà)，下面是 RTD 和熱電偶傳感器之間的簡(jiǎn)短比較。
熱電偶產(chǎn)生的電壓與其兩個(gè)結之間的溫差成正比。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，因此在熱電偶應用中需要冷端補償。另一方面，RTD 應用不需要冷端補償，從而使測量系統更加簡(jiǎn)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(jià)格大約是熱電偶的兩到三倍。另一個(gè)區別是 RTD 比熱電偶更線(xiàn)性，并且表現出出色的長(cháng)期穩定性。對于熱電偶，傳感器材料中的化學(xué)變化會(huì )降低長(cháng)期穩定性并導致傳感器讀數漂移。