RTD 溫度傳感器的基本原理

“RTD”是“電阻溫度檢測器”的首字母縮寫。通常，RTD 包含鉑、鎳或銅線，因為這些材料是正溫度系數材料。這意味著隨著溫度升高電阻也隨之增加 – 電阻的這種變化將用于探測和測量溫度變化。

鉑 RTD

鉑 RTD 是工業應用中最常見的 RTD 類型。這是因為鉑具有出色的耐腐蝕性，卓越的長期穩定性，并且測量溫度范圍很廣 (-200…+850°C)。

鎳 RTD

鎳 RTD 比鉑 RTD 便宜，并且具有良好的耐腐蝕性。但是，隨著時間的推移，鎳會加速老化，并且在較高溫度下精度會降低。鎳的溫度測量范圍為 -80…+260°C。

銅 RTD

銅 RTD 在三種類型 RTD 中具有最佳的電阻-溫度線性關系，而且銅材料成本低廉。但是，銅在較高溫度下會發生氧化。銅的測量范圍為 -200…+260°C。

RTD 的構造

大多數 RTD 是通過以下三種方式之一制造配置：繞線 RTD，線圈元件 RTD 和薄膜 RTD。

繞線 RTD

在 繞線 RTD 中，電阻線繞在通常是由陶瓷制成的絕緣芯軸上。傳感器制造商會通過仔細修剪電阻絲的長度，以達到在 0°C 時的規定電阻值。這稱為“R₀”電阻。

接下來，將導線連接到電阻線上，然后在導線上施涂玻璃或陶瓷涂層進行保護。隨著溫度升高，電阻絲的長度會略微增加。設計中必須注意確保電阻絲不會隨溫度升高而發生扭曲或變形。因為機械應變會導致導線電阻發生變化。

校準和標準實驗室使用的實驗室級別 RTD 是通過將電阻絲松散地纏繞在絕緣支撐結構上來消除這種誤差。該類型的 RTD 非常精準，但非常脆弱，并不適用于大多數工業應用。

線圈元件 RTD 

在 線圈元件 RTD 中，電阻絲被卷成小線圈，松散地封裝進陶瓷管中，然后在管中填充絕緣粉末。電阻絲可隨溫度變化自由伸縮，從而最大程度地減少由機械應變引起的誤差。粉末可提高熱量傳遞到線圈中的速率，從而改善響應時間。線圈元件 RTD 通常由金屬護套保護，并且適用于工業應用。

薄膜 RTD

薄膜 RTD 可批量生產且成本低于其他類型 RTD。薄膜 RTD 體積較小，并且響應速度比其他類型 RTD 快，這是許多應用所期望的效果。薄膜 RTD 是通過在陶瓷基體上沉積出一層薄薄的鉑形成路徑而制成。

制造商通過用激光打開路徑中的并聯分流器來調節 0°C 時的電阻。分流器開路越多，0°C 時的電阻越高。薄膜 RTD 的精度不如其他類型，是由于：

• 無法像其他類型 RTD 一樣精確地調整 R₀ 電阻。
• 陶瓷基底和鉑涂層的膨脹率略有差異。因此在較高溫度下會產生應變誤差。
• 由于薄膜 RTD 體積較小，因而 RTD 勵磁電流更易導致其自身發熱而產生略高的誤差。

RTD 電阻比

術語“電阻比”表示 RTD 溫度從 0°C 變為 +100°C 時溫度與電阻的平均比率。電阻比的表達式為：

(R₁₀₀-R₀) / R₀

在此表達式中：

R₁₀₀ = 100°C 時的 RTD 電阻。

R₀ = 0°C 時的 RTD 電阻。

制造 RTD 所用的金屬類型和純度都會對電阻比造成影響。通常，具有高 R₀ 值和高電阻比的 RTD 更易于進行精確測量，但是電阻絲所采用金屬的其他特性也會影響 RTD 的固有精度。

工業應用中的鉑 RTD 通常符合 IEC 60751 標準。這些 RTD 的電阻比為 (138.5 ? - 100 ?)/100 ? = 0.385 ? / °C。在典型的工業應用中，將 RTD 插入不銹鋼護套進行保護。

實驗室級別 RTD 標準采用的是具有更高電阻比且更高純度的鉑：(139.2 ? - 100 ?)/100 ? = 0.392 ? / °C。在超過 +670°C 的溫度下，不銹鋼探頭會釋放出金屬離子對高純度的鉑造成污染，引起電阻比變化。因此，這一類的 RTD 采用石英玻璃或鉑制成的探頭進行保護。這些探頭材料在高溫下仍能保持惰性，因此 RTD 能夠不受污染。

符合 DIN 43760 的鎳 RTD 的電阻比為 (161.7805 ? – 100 ?)/100Ω = 0.618 ? / °C。美國常用的鎳 RTD 的電阻比為 (200.64 ? – 120 ?)/120 ? = 0.672 Ω / °C（如上圖所示）。

銅 RTD[1] 有 R₀ = 9.035 ? 或 100 ? 可供選擇。兩種類型的電阻比均為 0.427：

(12.897 ? - 9.035 ?) / 9.035 ? = 0.427 ? / °C。

(142.7 ? – 100 ?) / 100 ? = 0.427 ? / °C。

使用鎳或銅 RTD 的益處

在 0°C 時,鎳會產生高電阻，并且具有高電阻比，鎳 RTD 對溫度變化的敏感性使其易于進行測量。鎳 RTD 的這些特性還可將導線電阻引起的誤差最小化。對于 RTD，導線電阻引起的近似誤差為：

導線電阻 / (R₁₀₀-R₀) x 0.01

例如：

兩線制鎳 RTD 測量空氣管道溫度。每根導線的電阻為 0.25Ω，總導線電阻為 0.5Ω。

因此，由導線電阻引起的誤差計算如下：

0.5 ? / (161.78 – 100) x 0.01 = 0.81°C。這在許多應用中已經是非常逼近真實值了。

為進行比較，以下是具有相同導線電阻的兩線制鉑 RTD 的誤差值：

0.5 ? / (138.5 – 100) x 0.01 = 1.3°C。

因鎳 RTD 非常靈敏，因此低成本、低精度的變送器便足以滿足鎳 RTD 的測量要求。在 HVAC（空調系統）和其他對價格敏感的工業應用中常見鎳 RTD 的身影。

銅 RTD 具有與電動機和發電機中使用的銅繞組相同的熱膨脹率和電磁滯后。因此，銅 RTD 往往用于測量繞組溫度。

銅還具有線性度極高的溫度與電阻關系。因此，對較窄的溫度范圍，無需額外的線性化處理就可以精確測量。

例如：

銅 100 RTD 在 0°C 時產生 100Ω 的電阻，在 100°C 時產生 142.743Ω 的電阻。線性外推出 50°C 時的理論電阻：(R₁₀₀ – R₀)/2 + R₀

= (142.743 – 100)/2 + 100 = 121.3715 ?

根據已發布的“電阻與溫度”表可知，RTD 在 50°C 時產生的電阻為 121.3715 ?，因此 RTD 在 0…+ 100°C 范圍內基本呈線性的。

除非測量范圍跨度大，否則銅不會出現明顯的非線性。例如，測量范圍為 0…+200°C，線性外推得出 100°C 時的理論電阻為 (185.675 – 100)/2 + 100 = 142.838 Ω。但是，根據“電阻與溫度”表，在 100°C 下的 RTD 電阻為 142.743 Ω。

+0.095 ? 換算成 °C（溫度）的差值為：0.095 ?/0.427 ? 每度 = 誤差 +0.222°C。

RTD 公差

大多數傳感器制造商制造的鉑 RTD 的精度均符合 IEC 60751 或 ASTM E1137 標準。

IEC 60751 標準定義了四個公差等級：AA、A、B 和 C 級。ASTM E1137 標準定義了兩個公差等級：A 和B 級。

請注意，IEC 60751 規定了每個級別的最高溫度范圍。例如，配備有線圈 RTD 元件的 A 級傳感器在 -100…+450°C 溫度范圍內的公差必須維持在規定公差范圍內。在此溫度范圍之外工作時，傳感器精度可以默認為 B 級。

符合 ASTM E1137 A 級或 B 級公差的傳感器在 -200…+650°C 溫度范圍內的公差必須維持在規定公差范圍內。

下表為 RTD 各級別和等級的公差。請注意，C 級 RTD 在 600°C 時的公差寬至 ±6.6°C。大多數工業應用需要具有 B 級或更高級別公差的 RTD。

下圖為符合 IEC60751 的 RTD 公差。您可以看到 RTD 在 0°C 時精度最高，隨著溫度升高或降低，誤差均比 0°C 時大。