RTD 基礎知識——電阻溫度檢測器簡介

電阻溫度檢測器或 RTD 可能是簡單的溫度傳感器類型。這些設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，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 的較大溫度范圍內工作，并提供高精度、出色的長期穩(wěn)定性和可重復性。

電阻溫度檢測器或 RTD 可能是簡單的溫度傳感器類型。這些設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，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 的較大溫度范圍內工作，并提供高精度、出色的長期穩(wěn)定性和可重復性。
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，以及 RTD 與熱電偶的比較。 
在深入探討之前，讓我們先看一個示例應用程序圖，以更好地了解 RTD 基礎知識。 
RTD 應用圖示例
RTD 是一種無源設備，不會自行產生輸出信號。圖 1 顯示了一個簡化的 RTD 應用圖。

圖 1.  RTD 應用圖示例。圖片由TI提供

激勵電流 I1 通過傳感器的溫度相關電阻。這會產生一個與激勵電流和 RTD 電阻成正比的電壓信號。RTD 兩端的電壓然后被放大并傳送到 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(yōu)點和缺點
在深入研究之前，請務必注意 RTD 信號調理的詳細信息將在以后的文章中介紹。對于本文，我想強調使用 RTD 電路時的一些基本權衡。
首先，請注意，激勵電流通常限制在 1 mA 左右，以限度地減少自熱效應。當激勵電流流過 RTD 時，它會產生 I 2 R 或焦耳熱。自熱效應可以將傳感器溫度升高到高于實際測量的周圍環(huán)境溫度的值。減小勵磁電流可以降低自熱效應。還值得一提的是，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 的自熱效應可能比浸入流動水中的 RTD 更明顯。
對于給定的可檢測溫度變化，RTD 電壓的變化應該足夠大以克服系統(tǒng)噪聲以及不同系統(tǒng)參數的偏移和漂移。由于自熱效應限制了激勵電流，我們需要使用電阻足夠大的RTD，因此會為下游信號處理塊產生較大的電壓。雖然需要較大的 RTD 電阻以減少測量誤差，但我們不能任意增加電阻，因為較大的 RTD 電阻會導致響應時間變慢。
RTD 金屬：鉑 RTD、金 RTD 和銅 RTD 之間的區(qū)別
理論上，任何種類的金屬都可用于構建 RTD。1860 年CW Siemens 發(fā)明的個 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產生更準確的結果。
如今，鉑 RTD 是精密測溫中使用廣泛的溫度傳感器。鉑金具有線性電阻-溫度關系，并且在大溫度范圍內具有高可重復性。此外，鉑不會與空氣中的大多數污染物氣體發(fā)生反應。
除了鉑之外，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(jié)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，具有更低的電阻）。對于給定的傳感器尺寸和激勵電流，銅質 RTD 可以產生相對較小的電壓。因此，銅質 RTD 測量微小的溫度變化可能更具挑戰(zhàn)性。此外，銅在較高溫度下會氧化，因此測量范圍也僅限于 -200 至 +260 °C。盡管存在這些限制，但由于其線性度和低成本，銅仍在某些應用中使用。如下圖 2 所示，在三種常見的 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) 顯示結構，(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，以及覆蓋整個元件的薄保護玻璃層。圖 3(a) 中所示的修整區(qū)域用于將制造的電阻調整到指定的目標值。
薄膜 RTD 依賴于相對較新的技術，能夠顯著減少組裝時間和生產成本。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造成的損壞。此外，薄膜 RTD 可以在相對較小的面積內容納較大的電阻。例如，一個 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。由于體積小，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(wěn)定性相對較差，溫度范圍較窄。
線繞 RTD
下面的圖 4 顯示了基本繞線 RTD 的結構。

圖 4. 基本繞線 RTD 的結構概覽。圖片由PR Electronics提供

這種類型的 RTD 是通過將一段鉑金纏繞在陶瓷或玻璃芯上而制成的。出于保護目的，整個元件通常封裝在陶瓷或玻璃管內。帶有陶瓷芯的 RTD 適用于測量非常高的溫度。繞線 RTD 通常比薄膜類型更準確。然而，它們更昂貴并且更容易被振動損壞。
為了限度地減少鉑絲上的任何應變，傳感器結構中使用的材料的熱膨脹系數應與鉑相匹配。相同的熱膨脹系數可限度地減少 RTD 元件的長期應力引起的電阻變化，從而提高傳感器的可重復性和穩(wěn)定性。
RTD 與熱電偶屬性
為了結束關于 RTD 溫度傳感器的對話，下面是 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。熱電偶是自供電的，不需要外部激勵，而基于 RTD 的溫度測量則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，因此在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，從而使測量系統(tǒng)更加簡單。
熱電偶通常用于 -184 °C 至 2300 °C 范圍，而 RTD 可以測量 -200 °C 至 +850 °C 范圍。盡管 RTD 通常比熱電偶更準確，但它們的價格大約是熱電偶的兩到三倍。另一個區(qū)別是 RTD 比熱電偶更線性，并且表現(xiàn)出出色的長期穩(wěn)定性。對于熱電偶，傳感器材料中的化學變化會降低長期穩(wěn)定性并導致傳感器讀數漂移。