RTD基礎知識——電阻溫度檢測器簡(jiǎn)介

了解RTD的基礎知識，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(xiàn)繞RTD。

電阻溫度檢測器RTD可能是最簡(jiǎn)單的溫度傳感器類(lèi)型之一。這些設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，這意味著(zhù)它們的電阻隨著(zhù)溫度的升高而增加。RTD可以在-200°C至+850°C的大溫度范圍內工作，并且具有高精度、優(yōu)異的長(cháng)期穩定性和可重復性。

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(lèi)型的RTD以及RTD與熱電偶的比較。

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

RTD應用示例圖

RTD是一種無(wú)源器件，本身不產(chǎn)生輸出信號。圖1顯示了一個(gè)簡(jiǎn)化的RTD應用圖。

RTD應用示例圖。

圖1。RTD應用示例圖。圖片由TI提供

勵磁電流I1通過(guò)傳感器的溫度相關(guān)電阻。這會(huì )產(chǎn)生一個(gè)與勵磁電流和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)缺點(diǎn)

在深入探討之前，值得注意的是，RTD信號調節的細節將在以后的文章中加以闡述。至于這篇文章，我想強調一些使用RTD電路時(shí)需要權衡的基本問(wèn)題。

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

對于給定的最小可檢測溫度變化，RTD電壓的變化應足夠大，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勵磁電流，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(lái)減少測量誤差，但我們不能任意增加電阻，因為大的RTD電阻會(huì )導致響應時(shí)間變慢。

RTD金屬：鉑RTD、金RTD和銅RTD之間的差異

理論上，任何一種金屬都可以用來(lái)構建RTD。1860年，西門(mén)子發(fā)明了有史以來(lái)第一個(gè)RTD，它使用了一根銅線(xiàn)。然而，西門(mén)子很快發(fā)現鉑電阻溫度檢測器在更寬的溫度范圍內產(chǎn)生了更準確的結果。

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(xiàn)性電阻-溫度關(guān)系，在較大的溫度范圍內具有高重復性。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，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，更低的電阻）。對于給定的傳感器尺寸和激勵電流，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用中，因為它具有線(xiàn)性和低成本。如下圖2所示，在三種常見(jiàn)的RTD金屬中，銅具有最線(xiàn)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(xiàn)性更大，長(cháng)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，鎳主要用于消費品等低成本應用。

常見(jiàn)的鉑電阻溫度檢測器是Pt100和Pt1000。這些名稱(chēng)描述了傳感器結構中使用的金屬類(lèi)型（鉑或Pt）和0°C下的標稱(chēng)電阻，對于Pt100和Pt1000類(lèi)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(zhù)更高電阻的RTD發(fā)展，因為更高的電阻可以在很少或沒(méi)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(lèi)似的命名約定。表2列出了一些常見(jiàn)的類(lèi)型。

表2。RTD類(lèi)型、材料和溫度范圍。數據由Analog Devices提供

除了使用的金屬類(lèi)型外，RTD的機械結構也會(huì )影響傳感器的性能。RTD可分為兩種基本類(lèi)型：薄膜型和線(xiàn)繞型。以下章節將討論這兩種類(lèi)型。

薄膜電阻式溫度檢測器與線(xiàn)繞電阻式溫度檢測器

為了進(jìn)一步討論RTD，我們來(lái)探討兩種類(lèi)型：薄膜和線(xiàn)繞。

薄膜電阻式溫度檢測器（RTD）基礎

薄膜型結構如圖3（a）所示。

示例薄膜RTD，其中（a）顯示了結構，而（b）顯示了不同的總體類(lèi)型。

圖3。薄膜RTD的示例，其中（a）顯示了結構，而（b）顯示了不同的總體類(lèi)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)行高溫退火和穩定處理，并覆蓋一層薄的保護玻璃層以覆蓋整個(gè)元件。圖3（a）所示的修整區域用于將制造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)，能夠大幅減少裝配時(shí)間和生產(chǎn)成本。與線(xiàn)繞型相比，薄膜RTD更耐沖擊或振動(dòng)損壞，我們將在下一節深入探討線(xiàn)繞型。此外，薄膜RTD可以在相對較小的面積內容納更大的電阻。例如，1.6 mm ? 2.6 mm的傳感器提供了足夠的面積來(lái)產(chǎn)生1000 Ω的電阻。由于其尺寸小，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。

繞線(xiàn)式RTD

下圖4顯示了基本繞線(xiàn)RTD的結構。

基本繞線(xiàn)式RTD的概述結構。

圖4?；纠@線(xiàn)式RTD的概述結構。圖片由PR Electronics提供

這種類(lèi)型的RTD是通過(guò)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，以起到保護作用。陶瓷芯的RTD適用于測量非常高的溫度。線(xiàn)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變，傳感器結構中使用的材料的熱膨脹系數應與鉑的熱膨脹系數相匹配。相同的熱膨脹系數最大限度地減少了長(cháng)期應力引起的RTD元件電阻變化，從而提高了傳感器的可重復性和穩定性。

RTD與熱電偶屬性

要結束關(guān)于RTD溫度傳感器的對話(huà)，以下是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。雖然熱電偶是自供電的，不需要外部激勵，但基于RTD的溫度測量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，熱電偶應用中需要冷端補償。另一方面，RTD應用中不需要冷端補償，這導致測量系統更簡(jiǎn)單。