RTD基礎知識——電阻溫度檢測器簡介

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和線繞RTD。

電阻溫度檢測器RTD可能是最簡單的溫度傳感器類型之一。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，這意味著它們的電阻隨著溫度的升高而增加。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、優異的長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、兩種類型的RTD以及RTD與熱電偶的比較。

在深入之前，讓我們先來看一個示例應用程序圖，以便更好地理解RTD基礎知識。

RTD應用示例圖

RTD是一種無源器件，本身不產生輸出信號。圖1顯示了一個簡化的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通過傳感器的溫度相關電阻。這會產生一個與勵磁電流和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傳感器的優缺點

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電路時需要權衡的基本問題。

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RTD時，會產生I2R或焦耳熱。自熱效應可以將傳感器溫度提高到高于其周圍環境的溫度，而周圍環境實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。例如，放置在靜止空氣中的RTD的自熱效應比浸入流動水中的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生相對較大的電壓。雖然需要更大的RTD電阻來減少測量誤差，但我們不能任意增加電阻，因為大的RTD電阻會導致響應時間變慢。

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構建RTD。1860年，西門子發明了有史以來第一個RTD，它使用了一根銅線。然而，西門子很快發現鉑電阻溫度檢測器在更寬的溫度范圍內產生了更準確的結果。

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。鉑具有線性電阻-溫度關系，在較大的溫度范圍內具有高重復性。此外，鉑不會與空氣中的大多數污染物氣體發生反應。

除了鉑，另外兩種常見的RTD材料是鎳和銅。表1提供了一些常見RTD金屬的溫度系數和相對電導率。

表1。常見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，因為它具有線性和低成本。如下圖2所示，在三種常見的RTD金屬中，銅具有最線性的電阻-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，非線性更大，長期漂移也更大。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。

常見的鉑電阻溫度檢測器是Pt100和Pt1000。這些名稱描述了傳感器結構中使用的金屬類型（鉑或Pt）和0°C下的標稱電阻，對于Pt100和Pt1000類型，分別為100Ω和1000Ω。Pt100型曾經更受歡迎；然而，如今，趨勢是朝著更高電阻的RTD發展，因為更高的電阻可以在很少或沒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也使用類似的命名約定。表2列出了一些常見的類型。

表2。RTD類型、材料和溫度范圍。數據由Analog Devices提供

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

薄膜電阻式溫度檢測器與線繞電阻式溫度檢測器

為了進一步討論RTD，我們來探討兩種類型：薄膜和線繞。

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依賴于相對較新的技術，能夠大幅減少裝配時間和生產成本。與線繞型相比，薄膜RTD更耐沖擊或振動損壞，我們將在下一節深入探討線繞型。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產生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。這種類型的缺點是長期穩定性相對較差，溫度范圍較窄。

繞線式RTD

下圖4顯示了基本繞線RTD的結構。

基本繞線式RTD的概述結構。

圖4。基本繞線式RTD的概述結構。圖片由PR Electronics提供

這種類型的RTD是通過在陶瓷或玻璃芯上纏繞一段鉑而制成的。整個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

要結束關于RTD溫度傳感器的對話，以下是RTD和熱電偶傳感器之間的簡短比較。

熱電偶產生的電壓與其兩個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單。