RTD温度传感器的设计

通过John R. Gyorki，编辑总监

在制定选择之前，分析RTD的优势和弱点。该应用程序最终确定RTD的规格。

电阻温度检测器(RTD)通常在-200°C到+850°C的宽温度范围内工作，是相当线性的，并具有良好的长期稳定性。与热电偶不同，它不需要冷结补偿，其温度范围和线性度优于热电偶和热电偶。当正确应用时，rtd表现出极低的漂移，因此它们不需要重新校准。另一方面，它们的相对弱点包括较低的灵敏度，较慢的响应时间，和易感自热。所有这些特性使它们具有特定于应用程序的特性。

操作原理
RTD是需要激励电流以产生输出信号的被动组件。与热敏电阻类似，它们的电阻“变化”与温度的变化直接成比例。温度敏感元件由金属或金属合金制成，其给出了正温度系数。

铂、金、银、钨、镍和铜已成功地用于不同的RTD装置，但铂优于其他金属。它具有最高的电阻率，59欧姆每圆形mil英尺(Ω/cmf)，宽的温度范围，良好的线性，低长期漂移。镍或镍合金rtd更经济，但温度范围更窄，线性度更差，长期漂移更大。

有两种主要类型的rtd:线绕和薄膜，每一种都有一些优点和缺点。例如，一种典型的绕线RTD使用两种结构之一的铂线缠绕陶瓷或玻璃线轴:鸟笼和螺旋。鸟笼式缠绕结构使铂丝保持松散，并让它随温度变化自由膨胀和收缩。这最大限度地减少了长期应力诱导的阻力变化，但对振动的抵抗力非常差，主要限于实验室使用。在一个密封的螺旋结构，线绕RTD，双线绕组是缠绕在筒管，然后密封与熔融玻璃，陶瓷水泥，或其他高温，非导电涂层。这种结构有助于防止金属丝振动，但当线芯和铂丝的膨胀温度系数不同时，容易产生长期的应力诱导电阻变化。

较新的薄膜型rtd是通过在基片上沉积铂或其他金属合金薄膜，蚀刻电阻元件的形状，然后密封传感器制成的。这种薄膜器件比绕线式器件更小、更快，而且相当便宜。薄膜铂rtd几乎具有线性电阻与温度曲线，为高精度、线绕式器件提供了低成本的替代方案。薄膜型rtd的缺点包括长期稳定性差和较窄的温度范围。

RTD温度系数表示传感器对温度变化的灵敏度。温度系数(α)越大，电阻变化(ΔR)对环境温度变化(ΔT)的响应越大:

ΔR =αR_oΔt，

地点:

α=温度系数，ω/Ω/°C
R_o= 0°C时的标称传感器电阻，Ω
ΔT =温度变化从0°C，°C

根据DIN 43760标准，用于RTD制造的铂丝在0℃时的电阻-温度系数为0.00385 Ω/Ω/°C。另一个经常提到的值0.00392 Ω/Ω/°C在0°C时，是标准用化学纯铂丝的电阻-温度系数。为了说明使用上面的方程，考虑一个理想的100 Ω RTD，在0°C时电阻为100.000 Ω。因此，在+1°C时，RTD电阻为:

R_T= [R_o+（αr._oΔt)] = 100 + (0.00385)(100)(1) = 100.385 Ω。

这里的问题在于RTD温度系数在温度范围内变化，从而在任何给定温度下获得精确值，需要曲线配合过程。使用Calleter-Van Dusen方程来计算整个温度范围内的RTD电阻：

R_T= R._o+ R_oα [t - δ(t /100 - 1)(t /100) - β(t /100 - 1)(t /100)]^3.］

地点:

R_T=电阻在温度T， Ω
R_o= 0°C时的公称RTD电阻，Ω
α=温度系数，ω/Ω/°C
纯铂的δ = 1.49
β= 0如果t> 0
β= 0.11如果T <0

励磁电流与电阻
因为rtd是电阻，它们需要一个激励电流来产生输出电压。在给定的电流值下，电阻越大的RTD电压越高，所需的放大系数越低，信噪比越高。然而，增加RTD的电阻大大减缓其响应，这可能是不可接受的许多测量。

为远程传感器装置选择低电阻RTD也会出现问题。长引线会给温度测量增加很大的误差。例如,如果一个RTD标称电阻为100Ω安装在一个200英尺的距离信号调节电路,和两个导联线的24 AWG链(7股)镀锡铜线,输出电压被电压表将电压降的总和在RTD和导联线。

本例选用的导线电阻为0.023Ω/ft，故总导线电阻计算为:

R_线= (0.023)(200 + 200) = 9.2Ω。

总RTD电阻加上导线电阻为109.2Ω，为测量增加了9％的误差。问题源于相同的两根线用于提供激励电流并进行测量。使最重要的是，铜电阻随温度而变化，使补偿困难。因此，为了获得精确的温度读取，激励电流线和测量连接线在4线，kelvin连接中分离。一对电线提供恒定的激励电流，而另一对在RTD上直接连接电压表（或信号调节电路）。这里，导线电阻不会影响RTD上的电压降，因为激励电流是恒定的，并且测量线的电阻对精度没有影响，因为与电压表的高输入阻抗相比可以忽略不计。

在2线和4线连接之间的折衷是最广泛使用的3线连接。RTD的一端连接到一根电线，另一端连接到两根电线:一根电线用于电源，一根电线用于信号。

另一个经常使用的避免引线电阻对测量精度影响的电路是四电阻惠斯通电桥。两根引线对电桥施加励磁功率。桥输出连接到电压表、运算放大器或仪表放大器，或高分辨率模拟数字转换器。理想情况下，三个桥式电阻应该有零温度系数，所以只有RTD电阻取决于温度。输出电压只取决于桥电阻的不平衡-它不受引线电阻的影响。

When selecting the RTD resistance and the excitation current, maintain a balance between the resolution and response time.为了更快的响应，选择低电阻RTD可能很诱人，但自V_出去= (R_RTD）（一世_前女友)，较低的电阻需要较高的励磁电流来维持相同的输出电压和较高的系统分辨率。更高的激励电流产生更多的热量，使传感器温度高于被测物体的温度，这就产生了显著的误差。一般来说，励磁电流应尽可能小，以减少自热误差。通常，自加热误差可以保持在0.5°C以下，这被认为是可接受的。

另一个测量误差，热旋转可能会在测量小物体的温度时蠕动。由于其尺寸相对较大，RTD可以充当散热器并改变尺寸或小于传感器本身的物体的温度。

维护
更换替换或失败的RTD元素时互换性至关重要。知道两个传感器之间读数的允许方差，允许设备维护而无需重新校准。美国的检测和材料（ASTM），美国科学厂家协会（SAMA），国际电工委员会（IEC）和日本标准（JIS）都开发了铂金RTD元素的几个标准。这些标准在指定温度范围内使用时可确保元素互换性。

例如，欧洲标准IEC751和DIN 43760包含相同的精度和公差参数。它们统称为DIN IEC 60751，或仅IEC751，并规定了铂热电阻传感器在不同温度下的电阻值。标准兼容器件在0°C时电阻100.00Ω， 0°C到100°C时电阻温度系数0.00385Ω/Ω/°C。指定的整体温度范围和公差取决于类别。

最精确的DIN A级在0°C有±0.06%的公差，在-200°C扩展到±0.24%，在650°C扩展到±0.46%。DIN B级在0°C有±0.12%的公差，在-200°C有±0.56%的公差，在850°C有±1.34%的公差。制造商经常用Ω或°C来表示公差规格，而不是%。

大多数美国和欧洲制造商生产A类和B类iec751兼容元件。此外，一些RTD制造商提供精度较低的C类和D类元件，在0°C时分别有±0.2%和±0.5%的公差。

大多数日本和一些美国制造商使用日本标准JIS c1604。本标准规定与100.00Ω在0°C时相同的基电阻，温度范围为-200 ~ 650°C，除电阻温度系数为0.003916Ω/Ω/°C外，其公差与IEC751相同。JIS C 1604 J和K标准公差等级对应于欧洲标准的A和B级。

环境
许多工业和实验室应用要求RTD元件不受环境影响。如果不加以考虑，潮湿、腐蚀性环境、机械冲击和振动会迅速降低传感器的性能。选择适合应用程序并与环境兼容的RTD或RTD探针类型是获得可靠服务的关键。

用于工业应用的rtd通常内置在带有不锈钢或铬镍铁合金护套的探头中，以保护传感元件免受环境和机械影响。这种保护允许探头的测量端直接插入测量区域。终端电线或安装在另一端的连接器将探头连接到测量仪器上。

在低温范围内，薄膜RTD探头通常在-40°C到+200°C范围内安全使用。低温范围线绕探头延伸至-200°C至+200°C范围。在探头内部，RTD元件使用镀银铜引线与塑料绝缘，如额定260°C的特氟龙®。相比之下，玻璃纤维绝缘的使用温度可达480°C，而聚氯乙烯绝缘电线的使用温度仅为105°C。其他因素包括:

•焊接 - 电线终端的首选方法。
探头内部的空空间通常填充有氧化铝粉末，具有良好的传热特性，并起到减震器和减振器的作用。
•为了保护元件不受潮，探头在引线侧使用环氧树脂或其他灌封化合物密封。

设计用于工作在-200°C至+600°C范围内的高温探头通常有内部引线，由镍制成，用氧化镁绝缘体固定。探头内部的空间通常用氧化镁粉末填充，引线端用环氧树脂密封。在这两种设计中，引线以2线、3线或4线配置连接，并带出几种绝缘线、端接线和公母连接器的选择。

表面，气体和液体测量需要不同的传感器配置。最适合于液体测量的探针通常以不锈钢护套包装，具有优异的耐腐蚀性。Inconel护套在高温下提供卓越的腐蚀和氧化保护。外部直径通常为1/8英寸，3/16英寸，¼。和3/8英寸。

表面传感器根据应用和连接方法的不同而有很大的不同。它们可以被接触、拧、栓或粘到被测量的表面上。气体和空气测量要求气体自由进入RTD元件，以促进热传递。

安装和操作过程中应注意一定的注意事项。rtd，特别是绕线式的rtd，容易受到机械损伤，应小心安装并在使用过程中加以保护。此外，尽量减少机械和热应力对延长使用寿命至关重要。由于信号电平很低，电磁干扰可能是一个严重的问题。使用适当的屏蔽和双绞线将电噪声保持在可接受的水平。增加引线的尺寸可以使其电阻最小化，这对于最小化两线RTD连接的测量误差尤为重要。

更多信息:

ω工程公司。
http://www.omega.com/

Thermo Sensors公司(TSC)
http://www.thermosensors.com/

美国传感器集团。
http://www.ussensor.com/

Jumo Process Control，Inc。
http://www.jumoplus.com/

Watlow电气制造有限公司
http://www.watlow.com/

Pyromation公司。
http://www.pyromation.com/

---

提交：传感器(温度)，测试+测量•测试设备

---