什麼是 RTD 熱敏電阻溫度偵測感測器?

電阻溫度檢測器或 RTD 可能是簡單類型的溫度感測器. 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係數, 這意味著它們的電阻隨著溫度的升高而增加. RTD 的工作溫度範圍很寬 -200 °C 至 +850 °C 並提供高精度, 優異的長期穩定性, 和重複性.

MAX31865 RTD 鉑電阻溫度檢測器 PT100 & PT1000

RTD PT100 溫度變送器 DC24V 負 50 ～ 100 程度

RTD Pt100 烤箱溫度感知器探頭

在本文中, 我們將討論使用 RTD 的權衡, 其中使用的金屬, 兩種類型的 RTD, RTD 與熱電偶的比較.

在我們深入之前, 讓我們看一下範例應用圖，以便更好地了解 RTD 基礎知識.

RTD 應用圖範例

RTD 是被動元件，本身不會產生輸出訊號. 數位 1 顯示簡化的 RTD 應用圖.

RTD 應用範例電路圖.jpeg

數位 1. RTD 應用圖範例.

激勵電流 I1 通過感測器的溫度相關電阻. 這會產生與激勵電流和 RTD 電阻成正比的電壓訊號. 然後，RTD 兩端的電壓被放大並發送到 ADC (類比數位轉換器) 產生可用於計算 RTD 溫度的數位輸出代碼.

使用 RTD 感測器的權衡 – RTD 感測器的優點和缺點

在我們深入之前, 值得注意的是，RTD 訊號調節的詳細資訊將在以後的文章中介紹. 對於這篇文章, 我想強調使用 RTD 電路時的一些基本權衡.

第一的, 請注意，勵磁電流通常限制在約 1 mA 可最大限度地減少自熱效應. 當勵磁電流流過 RTD 時, 它產生 I2R 或焦耳熱. 自熱效應可以使感測器溫度升高到高於實際測量的環境溫度的值. 減少勵磁電流可以減少自熱效應. 另外值得一提的是，自熱效應取決於RTD浸入的介質. 例如, 放置在靜止空氣中的 RTD 可能比浸入流動水中的 RTD 經歷更顯著的自熱效應.

對於給定的可檢測溫度變化, RTD 電壓的變化應足夠大，以克服系統雜訊以及不同系統參數的偏移和漂移. 由於自熱限制了勵磁電流, 我們需要使用阻值夠大的RTD, 從而為下游訊號處理模組產生大電壓. 雖然需要較大的 RTD 電阻來減少測量誤差, 我們不能隨意增加電阻，因為較大的 RTD 電阻會導致反應時間變慢.

RTD 金屬: 白金之間的區別, 金子, 和銅 RTD

理論上, 任何種類的金屬都可用於建造 RTD. CW西門子發明的第一個RTD 1860 使用銅線. 然而, 西門子很快就發現鉑 RTD 在更寬的溫度範圍內產生更準確的結果.

今天, 鉑 RTD 是用於精密溫度測量的最廣泛使用的溫度感測器. 鉑具有線性電阻-溫度關係，並且在較大溫度範圍內具有高度可重複性. 另外, 鉑金不會與空氣中的大多數污染氣體反應.

除了鉑金, 另外兩種常見的 RTD 材料是鎳和銅. 桌子 1 提供一些常見 RTD 金屬的溫度係數和相對電導率.

高溫Pt100防爆鉑熱電阻感測器

WZP-130 231 不銹鋼鉑電阻PT100溫度感測器

軸承用熱電阻 pt100 溫度感知器

桌子 1. 常見 RTD 金屬的溫度係數和相對電導率. BAPI提供的數據

在上一節中, 我們討論了更大的 RTD 電阻如何減少測量誤差. 銅具有較高的導電率 (或同等地, 降低電阻) 比鉑和鎳. 對於給定的感測器尺寸和激勵電流, 銅 RTD 可以產生相對較小的電壓. 所以, 銅 RTD 測量微小的溫度變化可能更具挑戰性. 另外, 銅在較高溫度下會氧化, 因此測量範圍也被限制為 -200 到 +260 ℃. 儘管有這些限制, 由於其線性和低成本，銅仍在某些應用中使用. 如圖 2 以下, 三種常見 RTD 金屬, 銅具有最線性的電阻溫度特性.

電阻 vs. 鎳的溫度特性, 銅, 和白金 RTD.jpeg

數位 2. 電阻 vs. 鎳的溫度特性, 銅, 和鉑 RTD. 圖片由 TE Con​​nectivity 提供

金和銀的電阻也相對較低，很少用作 RTD 元件. 鎳的電導率接近鉑. 如圖所示 2, 鎳在給定的溫度變化下提供電阻變化.

然而, 鎳提供較低的溫度範圍, 更大的非線性, 和比鉑金更大的長期漂移. 另外, 鎳的電阻因批次而異. 由於這些限制, 鎳主要用於低成本應用，例如消費品.

常見的鉑金 RTD 為 Pt100 和 Pt1000. 這些名稱描述了感測器結構中使用的金屬類型 (鉑或鉑) 和標稱電阻 0 ℃, 這是 100 Ω 用於 Pt100 和 1000 Ω 適用於 Pt100 和 Pt1000 類型, 分別. 過去Pt100型比較流行; 然而, 如今的趨勢是採用更高電阻的 RTD, 因為更高的電阻可以提供更高的靈敏度和分辨率，而只需很少或無需額外成本. 由銅和鎳製成的 RTD 使用類似的命名約定. 桌子 2 列出一些常見類型.

桌子 2. RTD 類型, 材料, 和溫度範圍. 數據由 Analog Devices 提供

除了所使用的金屬類型之外, RTD 的機械結構也會影響感測器性能. RTD 可分為兩種基本類型: 薄膜和線繞. 這兩種類型將在以下幾節中討論.

薄膜與. 線繞 RTD

為了進一步討論 RTD, 讓我們探討兩種類型: 薄膜和線繞.

薄膜 RTD 基礎知識

薄膜 RTD 顯示結構.jpeg

薄膜型的結構如圖所示 3(一個).

數位 3. 薄膜 RTD 範例, 在哪裡 (一個) 顯示結構和 (乙) 顯示不同的總體類型. 影像 (修改的) 由 Evosensors 提供

在薄膜 RTD 中, 在陶瓷基板上沉積一層薄薄的鉑. 隨後進行高溫退火並穩定化, 以及覆蓋整個元件的薄保護玻璃層. 修剪區域如圖所示 3(一個) 用於將製造的電阻調整到指定的目標值.

薄膜 RTD 依賴相對較新的技術，可顯著減少組裝時間和生產成本. 與繞線型相比, 我們將在下一節中深入探討, 薄膜 RTD 更能抵抗衝擊或震動造成的損壞. 另外, 薄膜 RTD 可以在相對較小的區域內容納較大的電阻. 例如, 一個 1.6 毫米 2.6 毫米感測器提供足夠的面積來產生電阻 1000 哦. 由於它們的體積小, 薄膜 RTD 可以快速響應溫度變化. 這些裝置適用於許多通用應用. 此類型的缺點是長期穩定性較差，溫度範圍較窄.

線繞 RTD

繞線 RTD 的構造

數位 4. 基本線繞 RTD 的構造概述. 圖片由 PR Electronics 提供

這種類型的 RTD 是將一段鉑金纏繞在陶瓷或玻璃芯上製成的. 出於保護目的，整個元件通常封裝在陶瓷或玻璃管內. 具有陶瓷芯的 RTD 適用於測量非常高的溫度. 線繞 RTD 通常比薄膜類型更準確. 然而, 它們更昂貴且更容易因振動而損壞.

盡量減少鉑絲上的應力, 感測器結構中使用的材料的熱膨脹係數應與鉑的熱膨脹係數相匹配. 相同的熱膨脹係數可最大限度地減少 RTD 元件中長期應力引起的電阻變化, 從而提高感測器的重複性和穩定性.

RTD 與. 熱電偶特性

結束關於 RTD 溫度感測器的對話, 這是 RTD 和熱電偶感測器之間的簡要比較.

熱電偶產生的電壓與其兩個結點之間的溫差成正比. 熱電偶是自供電的，不需要外部激勵, 而基於 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 應用不需要冷端補償, 從而形成更簡單的測量系統.

熱電偶通常用於 -184 °C 至 2300 ℃範圍, 而 RTD 可以測量 -200 °C 至 +850 ℃. 儘管 RTD 通常比熱電偶更準確, 它們大約比熱電偶貴兩到三倍. 另一個區別是 RTD 比熱電偶的線性度更高，並且具有卓越的長期穩定性. 帶熱電偶, 感測器材料的化學變化會降低長期穩定性並導致感測器讀數漂移.