RTD 基礎(chǔ)知識(shí)——電阻溫度檢測(cè)器簡(jiǎn)介

電阻溫度檢測(cè)器或 RTD 可能是簡(jiǎn)單的溫度傳感器類型。這些設(shè)備的工作原理是金屬的電阻隨溫度變化。純金屬通常具有正的電阻溫度系數(shù)，這意味著它們的電阻隨溫度升高而增加。RTD 可在 -200 °C 至 +850 °C 的較大溫度范圍內(nèi)工作，并提供高精度、出色的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和可重復(fù)性。

電阻溫度檢測(cè)器或 RTD 可能是簡(jiǎn)單的溫度傳感器類型。這些設(shè)備的工作原理是金屬的電阻隨溫度變化。純金屬通常具有正的電阻溫度系數(shù)，這意味著它們的電阻隨溫度升高而增加。RTD 可在 -200 °C 至 +850 °C 的較大溫度范圍內(nèi)工作，并提供高精度、出色的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和可重復(fù)性。
在本文中，我們將討論使用 RTD 的權(quán)衡、其中使用的金屬、兩種類型的 RTD，以及 RTD 與熱電偶的比較。 
在深入探討之前，讓我們先看一個(gè)示例應(yīng)用程序圖，以更好地了解 RTD 基礎(chǔ)知識(shí)。 
RTD 應(yīng)用圖示例
RTD 是一種無(wú)源設(shè)備，不會(huì)自行產(chǎn)生輸出信號(hào)。圖 1 顯示了一個(gè)簡(jiǎn)化的 RTD 應(yīng)用圖。

圖 1.  RTD 應(yīng)用圖示例。圖片由TI提供

激勵(lì)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)與激勵(lì)電流和 RTD 電阻成正比的電壓信號(hào)。RTD 兩端的電壓然后被放大并傳送到 ADC （模數(shù)轉(zhuǎn)換器）以產(chǎn)生可用于計(jì)算 RTD 溫度的數(shù)字輸出代碼。
使用 RTD 傳感器的權(quán)衡——RTD 傳感器的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)
在深入研究之前，請(qǐng)務(wù)必注意 RTD 信號(hào)調(diào)理的詳細(xì)信息將在以后的文章中介紹。對(duì)于本文，我想強(qiáng)調(diào)使用 RTD 電路時(shí)的一些基本權(quán)衡。
首先，請(qǐng)注意，激勵(lì)電流通常限制在 1 mA 左右，以限度地減少自熱效應(yīng)。當(dāng)激勵(lì)電流流過(guò) RTD 時(shí)，它會(huì)產(chǎn)生 I 2 R 或焦耳熱。自熱效應(yīng)可以將傳感器溫度升高到高于實(shí)際測(cè)量的周圍環(huán)境溫度的值。減小勵(lì)磁電流可以降低自熱效應(yīng)。還值得一提的是，自熱效應(yīng)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(yīng)可能比浸入流動(dòng)水中的 RTD 更明顯。
對(duì)于給定的可檢測(cè)溫度變化，RTD 電壓的變化應(yīng)該足夠大以克服系統(tǒng)噪聲以及不同系統(tǒng)參數(shù)的偏移和漂移。由于自熱效應(yīng)限制了激勵(lì)電流，我們需要使用電阻足夠大的RTD，因此會(huì)為下游信號(hào)處理塊產(chǎn)生較大的電壓。雖然需要較大的 RTD 電阻以減少測(cè)量誤差，但我們不能任意增加電阻，因?yàn)檩^大的 RTD 電阻會(huì)導(dǎo)致響應(yīng)時(shí)間變慢。
RTD 金屬：鉑 RTD、金 RTD 和銅 RTD 之間的區(qū)別
理論上，任何種類的金屬都可用于構(gòu)建 RTD。1860 年CW Siemens 發(fā)明的個(gè) RTD使用了一根銅線。然而，西門子很快發(fā)現(xiàn)鉑 RTD在更寬的溫度范圍內(nèi)產(chǎn)生更準(zhǔn)確的結(jié)果。
如今，鉑 RTD 是精密測(cè)溫中使用廣泛的溫度傳感器。鉑金具有線性電阻-溫度關(guān)系，并且在大溫度范圍內(nèi)具有高可重復(fù)性。此外，鉑不會(huì)與空氣中的大多數(shù)污染物氣體發(fā)生反應(yīng)。
除了鉑之外，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(shù)和相對(duì)電導(dǎo)率。

表 1. 常見(jiàn) RTD 金屬的溫度系數(shù)和相對(duì)電導(dǎo)率。數(shù)據(jù)由BAPI提供

在上一節(jié)中，我們討論了較大的 RTD 電阻可以減少測(cè)量誤差。與鉑和鎳相比，銅具有更高的導(dǎo)電性（或等效地，具有更低的電阻）。對(duì)于給定的傳感器尺寸和激勵(lì)電流，銅質(zhì) RTD 可以產(chǎn)生相對(duì)較小的電壓。因此，銅質(zhì) RTD 測(cè)量微小的溫度變化可能更具挑戰(zhàn)性。此外，銅在較高溫度下會(huì)氧化，因此測(cè)量范圍也僅限于 -200 至 +260 °C。盡管存在這些限制，但由于其線性度和低成本，銅仍在某些應(yīng)用中使用。如下圖 2 所示，在三種常見(jiàn)的 RTD 金屬中，銅具有線性的電阻-溫度特性。

圖 3. 薄膜 RTD 示例，其中 (a) 顯示結(jié)構(gòu)，(b) 顯示不同的總體類型。圖片（修改后）由Evosensors提供

在薄膜 RTD 中，鉑薄層沉積在陶瓷基板上。隨后是非常高溫的退火和穩(wěn)定化，以及覆蓋整個(gè)元件的薄保護(hù)玻璃層。圖 3(a) 中所示的修整區(qū)域用于將制造的電阻調(diào)整到指定的目標(biāo)值。
薄膜 RTD 依賴于相對(duì)較新的技術(shù)，能夠顯著減少組裝時(shí)間和生產(chǎn)成本。與我們將在下一節(jié)中深入探討的繞線型相比，薄膜 RTD 更能抵抗沖擊或振動(dòng)造成的損壞。此外，薄膜 RTD 可以在相對(duì)較小的面積內(nèi)容納較大的電阻。例如，一個(gè) 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。由于體積小，薄膜 RTD 可以快速響應(yīng)溫度變化。這些設(shè)備適合許多通用應(yīng)用。這種類型的缺點(diǎn)是長(zhǎng)期穩(wěn)定性相對(duì)較差，溫度范圍較窄。
線繞 RTD
下面的圖 4 顯示了基本繞線 RTD 的結(jié)構(gòu)。

圖 4. 基本繞線 RTD 的結(jié)構(gòu)概覽。圖片由PR Electronics提供

這種類型的 RTD 是通過(guò)將一段鉑金纏繞在陶瓷或玻璃芯上而制成的。出于保護(hù)目的，整個(gè)元件通常封裝在陶瓷或玻璃管內(nèi)。帶有陶瓷芯的 RTD 適用于測(cè)量非常高的溫度。繞線 RTD 通常比薄膜類型更準(zhǔn)確。然而，它們更昂貴并且更容易被振動(dòng)損壞。
為了限度地減少鉑絲上的任何應(yīng)變，傳感器結(jié)構(gòu)中使用的材料的熱膨脹系數(shù)應(yīng)與鉑相匹配。相同的熱膨脹系數(shù)可限度地減少 RTD 元件的長(zhǎng)期應(yīng)力引起的電阻變化，從而提高傳感器的可重復(fù)性和穩(wěn)定性。
RTD 與熱電偶屬性
為了結(jié)束關(guān)于 RTD 溫度傳感器的對(duì)話，下面是 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(jié)之間的溫差成正比。熱電偶是自供電的，不需要外部激勵(lì)，而基于 RTD 的溫度測(cè)量則需要激勵(lì)電流或電壓。熱電偶輸出指定冷端和熱端之間的溫差，因此在熱電偶應(yīng)用中需要冷端補(bǔ)償。另一方面，RTD 應(yīng)用不需要冷端補(bǔ)償，從而使測(cè)量系統(tǒng)更加簡(jiǎn)單。
熱電偶通常用于 -184 °C 至 2300 °C 范圍，而 RTD 可以測(cè)量 -200 °C 至 +850 °C 范圍。盡管 RTD 通常比熱電偶更準(zhǔn)確，但它們的價(jià)格大約是熱電偶的兩到三倍。另一個(gè)區(qū)別是 RTD 比熱電偶更線性，并且表現(xiàn)出出色的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。對(duì)于熱電偶，傳感器材料中的化學(xué)變化會(huì)降低長(zhǎng)期穩(wěn)定性并導(dǎo)致傳感器讀數(shù)漂移。