RTD溫度傳感器常見問題和解答(2)
RTD溫度傳感器常見問題與解答
我已經(jīng)看到對 F0.3 容差的引用。這是什么意思？
“F0.3”公差相當(dāng)于 B 級公差（F=薄膜，W=繞線，0.3 表示 ±0.3 Deg C @ 0 Deg C）。
IEC 60751 2008-07 規(guī)范（也在 DIN EN 60751 2009-05 規(guī)范中）修訂了鉑溫度傳感元件的公差命名法。
下表將舊的公差指定與新的關(guān)聯(lián)起來。
薄膜或線繞鉑 RTD 元件——我應(yīng)該選擇哪一種？
特定應(yīng)用的要求決定了所用元件的類型，但通常默認(rèn)選擇是薄膜元件。本質(zhì)上抗振且成本低于線繞元件。
薄膜元件滿足大多數(shù)溫度傳感應(yīng)用的需求。
下表總結(jié)了每種類型的優(yōu)點(diǎn)：
Pt100這個(gè)名字代表什么？
Pt100是電阻溫度檢測器，材質(zhì)為鉑（= Pt_），0°C溫度下的阻值為100歐姆（=_100）。因此名稱為 Pt100。
2 線、3 線和 4 線連接是什么意思？
電阻溫度檢測器 (RTD) 可以連接 2、3 或 4 根電線。
的2線連接僅需要兩根導(dǎo)線，但隨后的測量電子也被測量導(dǎo)線的電阻，這是不期望的。
使用額外的電線來補(bǔ)償電纜電阻可以更精確地獲得 RTD 本身的所需電阻。4 線連接是zui準(zhǔn)確的一種。
什么是 Pt100 精度等級？
IEC 60751:2008 定義的精度等級和容差是：
AA 級± (0,1+0,0017 * t)、±0,1 °C (0 °C)、±0,27 °C (100 °C)，定義范圍為 -50…+250 °C (線繞電阻器），0…+150 °C（薄膜電阻器）
●A 級± (0,15+0,002 * t)、±0,15 °C (0 °C)、±0,35 °C (100 °C)，定義在 -100…+450 °C 范圍內(nèi)（繞線電阻），-30…+300 °C（薄膜電阻）
●B 級± (0,3+0,005 * t)、±0,3 °C (0 °C)、±0,8 °C (100 °C)，定義在 -196…+600 °C 范圍內(nèi)（繞線電阻), -500…+500 °C (薄膜電阻)
●C 級± (0,6+0,01 * t)，不常用于工業(yè)測量電路。
什么是 1/3 DIN 和 1/10 DIN？
標(biāo)準(zhǔn) DIN EN 60751:2009（基于 IEC 60751:2008）定義了 Pt100 電阻精度等級 AA、A、B 和 C 以及相應(yīng)的公差。
在標(biāo)準(zhǔn)更新之前，zui準(zhǔn)確的類是 A，所有更準(zhǔn)確的定義是非標(biāo)準(zhǔn)化的、劃分的 B 類值。
●1/3 DIN是一個(gè)分值，基于B 級，不適用于整個(gè)測量范圍。該分頻精度僅在以下點(diǎn)定義：0 °C = ± 0,3/3 °C= ± 0,1 °C。B 級 1/3 DIN 不是標(biāo)準(zhǔn)化等級。
●1/10 DIN是一個(gè)分值，基于B 級，不適用于整個(gè)測量范圍。此分頻精度僅在以下點(diǎn)定義：0 °C = ± 0,3/10 °C = ± 0,03 °C。B 級 1/10 DIN 不是標(biāo)準(zhǔn)化等級。
自標(biāo)準(zhǔn)更新以來的標(biāo)準(zhǔn)化 AA 級已使 1/3 DIN 的分值變得可有可無。
RTD溫度傳感器的優(yōu)點(diǎn) ?
RTD溫度傳感器傳感元件由線圈或純金屬沉積膜組成。元件的電阻以已知且可重復(fù)的方式隨溫度增加。
RTD溫度傳感器在很寬的溫度范圍內(nèi)表現(xiàn)出出色的精度，是工業(yè)溫度傳感器中增長zui快的部分。
它們的優(yōu)勢包括：
●溫度范圍：涵蓋 -260 至 650°C（-436 至 1202°F）的溫度。
●重復(fù)性和穩(wěn)定性：鉑電阻溫度計(jì)是美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院在 -260 至 962°C 范圍內(nèi)使用的主要內(nèi)插儀器。普通工業(yè) RTD溫度傳感器通常漂移小于 0.1°C/年。
●靈敏度：RTD溫度傳感器兩端的壓降提供比熱電偶大得多的輸出。
●線性：鉑和銅 RTD溫度傳感器產(chǎn)生比熱電偶或熱敏電阻更線性的響應(yīng)。RTD溫度傳感器非線性可以通過電阻橋網(wǎng)絡(luò)的正確設(shè)計(jì)來糾正。
●系統(tǒng)成本低：RTD溫度傳感器使用普通銅延長線，不需要冷端補(bǔ)償。
●標(biāo)準(zhǔn)化：制造商提供符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)曲線的 RTD溫度傳感器，zui常見的是符合 EN60751 的 100 Ω 鉑金
RTD溫度傳感器材料 ?
選擇制作 RTD 的材料的標(biāo)準(zhǔn)是：
●材料必須具有延展性，以便可以形成細(xì)絲
●它必須具有可重復(fù)且穩(wěn)定的斜率或曲線。
●該材料還應(yīng)耐腐蝕。
●材料應(yīng)該是低成本的。
●優(yōu)選材料具有線性電阻與溫度斜率。
一些常見的RTD 材料是鉑、銅、鎳、Balco（70% 鎳和 30% 鐵的合金）。
這些金屬的優(yōu)點(diǎn)是它們可以制造成非常高的純度，因此具有高度可再現(xiàn)的溫度/電阻特性。
這些金屬也可以被拉制成電阻測溫所需的細(xì)直徑線。
用作RTD的各種材料的特性
如表所示，雖然銅zui便宜，但它的電阻率也zui低，因此需要不方便的大型傳感元件。
另一方面，即使鎳和鎳合金具有高電阻率，它們的電阻與溫度系數(shù)也是非線性的。
它們對應(yīng)變也很敏感，并且它們的電阻率會在居里點(diǎn) (358ºC) 附近發(fā)生拐點(diǎn)，這使得它們的電阻/溫度表達(dá)式的偏差更加復(fù)雜。
這種鉑不僅具有高電阻率（是銅的六倍以上），而且具有高度的穩(wěn)定性和較寬的溫度范圍。
盡管鉑價(jià)格昂貴，但它可以被拉制成細(xì)線或條帶，而且我們只需要少量即可制造 RTD。作為貴金屬，它對污染的敏感性zui低。
雜質(zhì)的存在是不希望的，因?yàn)樵谑褂弥锌赡馨l(fā)生擴(kuò)散、偏析和蒸發(fā)，導(dǎo)致缺乏穩(wěn)定性。
電阻率也對內(nèi)部應(yīng)變敏感。因此，重要的是鉑應(yīng)保持完全退火狀態(tài)，即它應(yīng)在高于zui高使用溫度的溫度下進(jìn)行退火。
RTD溫度傳感器的溫度額定值 ?
RTD 的zui高溫度額定值基于兩個(gè)不同的因素。首先是元素材料。
鉑 RTD溫度傳感器可在高達(dá) 650°C (1202°F) 的溫度下使用。其他材料的額定溫度要低得多，并且因材料而異。
溫度額定值的另一個(gè)決定因素是探頭結(jié)構(gòu)。這些不同風(fēng)格中的每一種都使用了結(jié)構(gòu)考慮因素，使它們非常適合在這些范圍中的每一個(gè)中使用。
符合 IEC751 的 RTD溫度傳感器類型的公差表 ?
標(biāo)準(zhǔn)鉑 RTD
ITS-90（1990 年國際溫標(biāo)-在 NIST、NPL 等國家計(jì)量實(shí)驗(yàn)室中用作全#球?qū)嵱脺貥?biāo)）由許多固定參考點(diǎn)組成，并帶有用于定義點(diǎn)之間標(biāo)度的各種插值設(shè)備。
一組特殊的 PRT，稱為 SPRT，用于在此類實(shí)驗(yàn)室中在 13.8033 K（平衡氫的三點(diǎn)）到銀的冰點(diǎn) 971.78 °C 的范圍內(nèi)執(zhí)行插值。
熱電阻標(biāo)準(zhǔn)
鉑RTD有兩種標(biāo)準(zhǔn)：歐洲標(biāo)準(zhǔn)（也稱為 DIN 或 IEC 標(biāo)準(zhǔn)）和美國標(biāo)準(zhǔn)。
歐洲標(biāo)準(zhǔn)，也稱為 DIN 或 IEC 標(biāo)準(zhǔn)，被認(rèn)為是鉑 RTD 的全#球標(biāo)準(zhǔn)。
該標(biāo)準(zhǔn) DIN/IEC 60751（或簡稱為 IEC751）要求 RTD 在 0°C 時(shí)具有 100.00 Ω 的電阻和在 0 到 100° 之間的電阻溫度系數(shù) (TCR) 為 0.00385Ω/Ω/°C C。薄膜有三個(gè)電阻容差。
IEC60751 中規(guī)定的 RTD：
AA 級（原 1/3B） = ± (0.1+0.0017×t) °C 或 100.00 ± 0.04Ω at 0°C
A 級 = ± (0.15+0.002×t) °C 或 100.00 ± 0.06Ω at 0°C
B 級 = ± (0.3+0.005×t) °C 或 100.00 ± 0.12Ω at 0°C
此外，DIN/IEC60751 中未包含的一個(gè)特殊類別：
1/10B 級 = ±1/10 (0.3+0.005×t) °C 或 100.00 ± 0.012Ω at 0°C
RTD的結(jié)構(gòu)
RTD 元件幾乎總是需要連接絕緣引線。在低于約 250 °C 的溫度下，使用 PVC、硅橡膠或 PTFE 絕緣體。
在此之上，使用玻璃纖維或陶瓷。測量點(diǎn)，通常是大多數(shù)引線，需要一個(gè)外殼或保護(hù)套，通常由金屬合金制成，對被監(jiān)控的過程具有化學(xué)惰性。
選擇和設(shè)計(jì)保護(hù)護(hù)套可能需要比實(shí)際傳感器更加小心，因?yàn)樽o(hù)套必須能夠承受化學(xué)或物理攻擊并提供方便的連接點(diǎn)。
鉑薄膜 RTD
RTD 的薄膜樣式可能是zui受歡迎的設(shè)計(jì)，因?yàn)樗鼈儓?jiān)固耐用且成本低。
薄膜元件是通過用非常薄的 (.0001”) 鉑膜涂覆小陶瓷芯片，然后在鉑膜中激光切割或化學(xué)蝕刻電阻路徑來制造的。
然后在元件上涂上一層薄薄的玻璃，以保護(hù)它免受有害化學(xué)物質(zhì)和氣體的侵害。
較大的延長導(dǎo)線被點(diǎn)焊到芯片上，然后用一滴環(huán)氧樹脂覆蓋該連接點(diǎn)，以幫助將導(dǎo)線固定到元件上。
兩線熱電阻接線
兩線 RTD 是zui簡單的線配置。一根電線連接到元件的每一側(cè)。
任何配備測量電阻的設(shè)備都可以進(jìn)行測量，包括基本的伏特歐姆表 (VOM)。
圖
這是zui不準(zhǔn)確的溫度測量方法，因?yàn)橐€電阻與傳感元件串聯(lián)。
引線與傳感元件處于不同的溫度，并且還具有不同的電阻與溫度特性。引線越長，對測量的影響越大。
三線熱電阻接線
在三線RTD是工業(yè)應(yīng)用中zui流行的配置。為了盡量減少引線電阻的影響，可以使用三線配置。
使用這種方法，傳感器的兩條引線位于相鄰的臂上。電橋的每個(gè)臂上都有一個(gè)引線電阻，只要兩個(gè)引線電阻精確相同，就可以抵消電阻。這種配置允許長達(dá) 600 米的電纜。
圖
正確使用時(shí)，三線配置消除了串聯(lián)電阻。
這允許對傳感元件進(jìn)行精確測量。其中兩條引線連接到傳感元件的一側(cè)，單條引線連接到另一側(cè)。
L1 和 L3 中的電阻應(yīng)盡可能匹配；這將導(dǎo)致引線電阻抵消它們。三線 RTD 的顏色代碼是兩根紅線和一根白線。
四線熱電阻接線
甲四線RTD是測量RTD的zui精確的方法。它主要用于實(shí)驗(yàn)室，在工業(yè)應(yīng)用中很少見到。
四線電阻溫度計(jì)配置提高了被測電阻的準(zhǔn)確性和可靠性：由于引線電阻引起的電阻誤差為零。
圖
四線RTD 電路消除了不匹配電阻對引線的影響。
恒定電流通過 L1 和 L4，L2 和 L3 測量 RTD 元件兩端的電壓降。
四線 RTD 的顏色代碼通常是兩根紅線和兩根白線。下圖說明了典型的四線測量。
RTD 引線配置和顏色代碼
圖
礦物絕緣熱電阻
礦物絕緣電阻溫度計(jì) (MI) 通常配備符合 DIN IEC 751 的鉑測量電阻器 Pt100 Ω。
內(nèi)部 (Cu) 導(dǎo)體嵌入緊密壓實(shí)的惰性礦物粉末 (MgO) 中；測量電阻將連接到內(nèi)部導(dǎo)體，也嵌入并被金屬護(hù)套包圍以形成密封組件。有時(shí)也使用康銅和鎳的內(nèi)導(dǎo)體。
在許多情況下，護(hù)套用作有用的保護(hù)罩。它們應(yīng)用于需要快速響應(yīng)、減少空間和/或抗振性的位置。它們可以配備固定電纜或特殊插頭，以便快速安裝或更換。
礦物絕緣RTD溫度探頭由柔性薄壁不銹鋼礦物絕緣電纜組成，其中低歐姆導(dǎo)體銅線嵌入壓制的耐熱氧化鎂中。
溫度探頭連接到內(nèi)部導(dǎo)體的電線并容納在不銹鋼護(hù)套中。熱套管和礦物絕緣電纜相互焊接。
護(hù)套和溫度探頭之間良好的熱傳遞允許較短的響應(yīng)時(shí)間和較高的測量精度?？拐瘢ǚ勒穑┰O(shè)計(jì)保證了較長的使用壽命。
由于采用了柔性礦物絕緣電纜，因此可以在難以接近的測量點(diǎn)進(jìn)行溫度測量。zui小彎曲半徑為外徑的5倍。
金屬護(hù)套 RTD
●它由不銹鋼制成的薄壁柔性礦物絕緣護(hù)套電纜組成。
●該電纜包含由嵌入壓制的防火氧化鎂的銅制成的低電阻內(nèi)線。
●溫度傳感器連接到內(nèi)部導(dǎo)線并安裝在保護(hù)管中。
●保護(hù)管和護(hù)套電纜密封焊接在一起。
●保護(hù)管和溫度傳感器之間良好的熱傳遞允許快速響應(yīng)時(shí)間和高測量精度。
●靈活的探針管允許在不易接近的位置進(jìn)行溫度測量。
●它們用于具有強(qiáng)烈振動的困難測量應(yīng)用以及需要靈活性和易于更換的所有測量位置。
●應(yīng)用領(lǐng)域包括化工廠、發(fā)電站、電機(jī)以及機(jī)械制造和建筑安裝以及一般工業(yè)應(yīng)用。
RTD 的潛在錯(cuò)誤來源
電阻溫度計(jì)系統(tǒng)易受三種類型的誤差影響：溫度計(jì)的內(nèi)在容差、溫度計(jì)與被感測介質(zhì)之間的梯度，以及沿傳感器與讀數(shù)或控制儀器之間的路徑引入的誤差。
一些錯(cuò)誤來源是電氣的；其他原因是溫度計(jì)的機(jī)械結(jié)構(gòu)。
RTD 的互換性/一致性
參考溫度下的公差通常為 0°C，斜率或 TCR 上的公差通常為 0°C。下圖表明，電阻溫度計(jì)在參考溫度下zui接近其曲線，而電阻在該參考溫度上下呈扇形散開。
兩個(gè)溫度計(jì)之間的互換性不超過其一致性值的兩倍。商用鉑電阻溫度計(jì)元件具有極其嚴(yán)格的公差，在某些情況下可達(dá)到 0.026°C 以內(nèi)。
當(dāng)互換性是zui重要的考慮因素時(shí)，指定者可能會考慮其他方式來實(shí)現(xiàn)它。例如，制造商可能會改變他們的校準(zhǔn)程序，以將參考溫度和zui嚴(yán)格的公差固定在 0°C 以外的點(diǎn)上。
RTD 靈敏度
每度溫度變化的電阻變化是基極電阻和 TCR（電阻溫度系數(shù)）的函數(shù)。
雖然具有更高靈敏度的溫度計(jì)不一定更準(zhǔn)確，但更大的信號可以簡化輸出電子設(shè)備，并且不易受到引線效應(yīng)和電噪聲的影響。
此外，較大的電阻會以較小的測量電流產(chǎn)生相同的電壓輸出，這有助于限制溫度計(jì)元件的自熱。
RTD 的絕緣電阻
如果傳感元件和引線未與外殼完全絕緣，則會發(fā)生分流效應(yīng)，使外殼變成并聯(lián)電阻并降低表觀讀數(shù)。在大多數(shù)工業(yè)溫度計(jì)中，指定絕緣電阻在 100-MΩ 范圍內(nèi)，誤差接近于零。
制造商必須注意密封吸水材料。分流效果隨著低電阻元件而降低，這說明了這一點(diǎn)。分流效果隨低阻元件而降低
RTD 自加熱
電阻溫度計(jì)是一種無源電阻傳感器；它需要一個(gè)測量電流來產(chǎn)生一個(gè)有用的信號。
由于該測量電流將元件線加熱到高于真實(shí)環(huán)境溫度，除非額外的熱量被消散，否則將導(dǎo)致誤差。
自熱通常以 mW/°C 表示，它是將溫度計(jì)內(nèi)部溫度升高 1°C 所需的功率（以工廠瓦特 (1000 I2 R) 為單位）。mW/°C 數(shù)值越高，自熱越低。
例如，假設(shè) 5 mA 測量電流在 100°C 下通過 100 鉑 RTD。
在以 3 英尺/秒的速度移動的水中，自熱規(guī)定為 50 mW/°C。產(chǎn)生的熱量為：
1000 mW x (0.005 A) 2 x (138.5) = 3.5 mW
自熱誤差為：
(3.5 mW) / (50 mW/°C) = 0.07°C
產(chǎn)生的熱量隨著傳感器元件電阻的增加（使用恒流測量設(shè)備時(shí)）或測量電流的增加而增加。
由此產(chǎn)生的誤差與溫度計(jì)散發(fā)額外熱量的能力成反比；這反過來又取決于溫度計(jì)的材料、結(jié)構(gòu)和環(huán)境。
將高電阻裝入小機(jī)身時(shí)，會發(fā)生zui嚴(yán)重的自熱。薄膜元件的散熱表面積很小，就是一個(gè)例子。
自熱還取決于溫度計(jì)浸入的介質(zhì)。靜止空氣中的誤差可能比流動水中的誤差大 100 多倍。
RTD 時(shí)間常數(shù)
時(shí)間常數(shù)表示電阻溫度計(jì)對溫度變化的響應(yīng)能力。
一個(gè)常見的表達(dá)方式是溫度計(jì)反映流動水中 63.2% 的階躍溫度變化所需的時(shí)間。
響應(yīng)速度取決于溫度計(jì)的質(zhì)量和熱量從外表面?zhèn)鬟f到傳感元件的速率。
快速時(shí)間常數(shù)可減少系統(tǒng)中受快速溫度變化影響的錯(cuò)誤。
RTD 的重復(fù)性
溫度計(jì)的兩個(gè)連續(xù)讀數(shù)之間的一致程度是其可重復(fù)性。
重復(fù)性的損失是由元件電阻特性的永久或臨時(shí)變化引起的，并且可能是由于將溫度計(jì)暴露在其指定范圍端點(diǎn)或超過其端點(diǎn)的溫度下引起的。
重復(fù)性測試使溫度計(jì)在低溫和高溫之間循環(huán)；對 R 的任何更改都會被記錄下來。
0°C 工業(yè)鉑電阻溫度計(jì)的典型重復(fù)性等級為 ±0.1°C。
RTD 的角色穩(wěn)定性
穩(wěn)定性是溫度計(jì)讀數(shù)的長期漂移。典型的規(guī)范會將額定運(yùn)行的漂移限制在每年 0.1°C。
在溫度額定值范圍內(nèi)的正常服務(wù)通常會導(dǎo)致更少的漂移。漂移是元素材料的結(jié)果，其中鉑zui穩(wěn)定；封裝材料，可能會污染元件；以及由于繞組線軸或其他支撐結(jié)構(gòu)的膨脹而施加在元件上的機(jī)械應(yīng)力。
RTD 結(jié)構(gòu)中的封裝和熱傳遞
電阻元件周圍的護(hù)套和其他結(jié)構(gòu)應(yīng)zui大限度地提高來自感測介質(zhì)的熱傳遞，zui大限度地減少可能改變讀數(shù)的環(huán)境熱傳遞，并為元件提供必要的保護(hù)。
適當(dāng)?shù)牟牧虾徒Y(jié)構(gòu)可以顯著提高閱讀準(zhǔn)確性。與熱敏電阻、熱電偶和固態(tài)設(shè)備相比，一種僅適用于繞線電阻溫度計(jì)的策略是平均溫度。一個(gè)元件可以在長達(dá) 100 英尺的長度上纏繞到平均溫度。
RTD 的局限性
工業(yè)應(yīng)用中的 RTD 很少在 660 °C 以上使用。在高于 660 °C 的溫度下，防止鉑金被溫度計(jì)金屬護(hù)套中的雜質(zhì)污染變得越來越困難。這就是實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)用玻璃結(jié)構(gòu)代替金屬護(hù)套的原因。
在非常低的溫度下，比如低于 -270 °C（或 3 K），由于光子很少，RTD 的電阻主要由雜質(zhì)和邊界散射決定，因此基本上與溫度無關(guān)。因此，RTD 的靈敏度基本上為零，因此沒有用。
與熱敏電阻相比，鉑 RTD 對微小溫度變化的敏感度較低，響應(yīng)時(shí)間較慢。但是，熱敏電阻具有較小的溫度范圍和穩(wěn)定性
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