电阻温度传感器工作原理

电阻温度检测器 (RTD) 工作原理

热电阻温度测量装置

温度的变化会导致材料的电阻发生变化。测量电阻变化以推断温度变化。

有两种类型的热电阻测量设备：

●电阻温度检测器 (RTD) 
●热敏电阻

电阻温度探测器

电阻温度检测器（缩写为 RTD）基本上是缠绕在线圈中的长小直径金属线或基板上的蚀刻网格，很像应变计。铂是 RTD温度传感器最常用的金属。

工作原理

电阻温度检测器 (RTD) 的工作原理是金属的电阻会随着温度的变化以基本线性和可重复的方式可预测地变化。RTD温度传感器具有正温度系数（电阻随温度增加）。元件在基础温度下的电阻与元件的长度和横截面积的倒数成正比。

设计为测量带有RTD温度的典型电路实际测量中的变化性的RTD温度传感器，然后将其用于计算温度变化的。RTD 温度传感器的电阻随着温度的升高而增加，就像应变计的电阻随着应变的增加而增加一样。

桥梁电路建设

下图显示了一个基本的桥式电路，它由三个已知电阻 R1、R2 和 R3（可变）、一个未知可变电阻器 RX (RTD)、一个电压源和一个灵敏的电流表组成。

电阻器 R1 和 R2 是电桥的比率臂。它们对流经安培计的电流的两个可变电阻进行比值。R3 是一个可变电阻器，称为标准臂，可调整以匹配未知电阻器。感应电流表直观地显示流经电桥电路的电流。电路分析表明，当调节R3使电流表读数为零时，桥式电路两臂的电阻相同。电桥两臂电阻的关系可表示为

由于 R1、R2 和 R3 的值是已知值，唯一未知的是 Rx。在电流表为零的情况下，可以为电桥计算 Rx 的值。知道这个电阻值为校准连接到电桥电路的仪器提供了一个基准点。未知电阻 Rx 由下式给出

RTD 电桥电路操作

一个简单的电路是四分之一桥惠斯通电桥电路，这里称为两线 RTD 温度传感器电桥 电路。

R引线表示从电桥到 RTD温度传感器 本身的其中一根导线（称为引线）的电阻。在应变计电路中，引线电阻无关紧要，因为 R引线始终保持不变。

然而，对于 RTD 温度传感器电路，引线的某些部分会暴露在不断变化的温度中。由于金属线的电阻随温度变化，R引线随T 变化，这会引起测量误差。这个错误可能很重要——引线电阻的变化可能被误解为 RTD 温度传感器电阻的变化。此外，上图所示的两线式 RTD温度传感器 电桥电路中有两根引线，使误差增加了一倍。一种旨在消除引线电阻误差的巧妙电路称为三线 RTD温度传感器 桥式电路。三线RTD电桥电路如下图所示。

它仍然是四分之一桥电路，因为四个桥电阻器中只有一个被 RTD 取代。但是，其中一根引线已放置在电桥的 R 2腿上而不是 R 3腿上。

为了分析这个电路，假设初始时R 1 = R 4，R 2 = R 3，当电桥平衡时。回忆惠斯通电桥的一般公式：

请注意，R 3和R 2在上述等式中具有相反的符号。因此，如果脚 2（顶部）和脚 3（底部）的引线电阻相同，引线电阻会相互抵消，对输出电压没有净影响，从而消除了误差。

中间导线的第三个引线电阻 R引线怎么样？嗯，因为 V o是用一个几乎无限大的阻抗设备测量的，中间引线没有电流流动，所以它的电阻不会影响任何东西！

以下重新绘制的等效电路可能有助于解释引线电阻抵消的原因：

在上图中，很明显，如果 R导程在桥的第 2 腿和第 3 腿中变化相等，则其效果会抵消。

RTD 材料与结构

RTD 的作用有点像电传感器，通过测量电阻将温度变化转换为电压信号。最适合用作 RTD 传感器的金属是纯金属或某些质量均匀的合金，它们的电阻随着温度的升高而增加，相反，随着温度的降低，电阻会减小。只有少数金属具有在 RTD 元件中使用所需的特性。RTD 传感器中使用的常见材料是 BALCO 线、铜、铂。

●BALCO – 使用 BALCO 线构造的传感器是一种退火电阻合金，标称成分为 70% 的镍和 30% 的铁。BALCO 500 欧姆电阻元件提供了从 –40 到 250° 的相对线性电阻变化。传感器是一种质量轻的设备，可以快速响应温度变化。当通过 BALCO 元件测量 1000 欧姆时，温度约为 70°F。随着温度升高，电阻每 1°F 变化 2.2 欧姆。这称为电阻温度系数曲线（TCR 曲线）。在 BALCO 中，由于电阻与温度有直接关系，即随着温度的升高，电阻按比例增加。BALCO 通常的温度测量范围是 -40° 到 240°F。
●铂金 –使用铂金材料的 RTD 传感器表现出线性响应并且随着时间的推移保持稳定。在某些应用中，使用较短的导线来提供 100 欧姆的标称电阻。但是，低电阻值时，元件自热和传感器引线电阻会影响温度指示。对于元件的少量电阻变化，必须使用额外的放大来增加信号电平。绝缘底座上的铂膜传感器在 74° 时提供高达 1000 欧姆的高电阻。凭借这种高电阻，传感器相对不受自热影响，并对温度变化做出快速响应。这种类型的 RTD 元件很常见。
这些金属最适合 RTD 应用，因为它们具有线性电阻-温度特性（如下图所示）、高电阻系数以及承受重复温度循环的能力。电阻系数是每度温度变化的电阻变化，通常表示为每度温度的百分比。使用的材料必须能够拉成细线，以便可以轻松构建元件。

铜和镍版本在较低的温度范围内运行，并且比铂金便宜。铂金是用途最广的材料，因为它具有宽广的温度范围（–200°C 至 850°C）、出色的重复性、稳定性以及耐化学品和耐腐蚀性。

RTD 元件通常是由绝缘体包围并封闭在金属护套中的长弹簧状导线。下图显示了 RTD 的内部结构。

这种特殊的设计有一个被瓷绝缘体包围的铂元素。绝缘体可防止电线和金属护套之间发生短路。Inconel 是一种镍铁铬合金，由于其固有的耐腐蚀性，通常用于制造 RTD 护套。当置于液体或气体介质中时，Inconel 护套迅速达到介质温度。温度的变化会导致铂丝发热或冷却，导致电阻成比例变化。

优点：电阻随温度呈线性，稳定性好，工作温度范围宽 可在宽温度范围内互换

缺点：电阻随温度变化小，响应可能较慢，受自身发热影响，变送器或需要三四线引线进行引线电阻补偿，需要外电路电源

其他事实

●RTD 通常用于感测管道和管道中的空气和液体温度，以及用作室温传感器。RTD 元件的电阻随温度而变化。一些元件在较宽的温度范围内表现出较大的电阻变化、线性变化或两者兼有。

●传感器元件两端的变化电压决定了传感器的电阻。为此目的提供的电源可能会导致元件轻微发热，并可能导致温度测量不准确。降低电源电流或使用具有更高标称电阻的元件可以最大限度地减少自热效应。

●一些 RTD 元件电阻低至 100 欧姆。在这些情况下，将 RTD 连接到控制器的引线电阻可能会显着增加所连接 RTD 的总电阻，并可能导致温度测量出现误差。例如，距离控制器 25 英尺的传感器具有 25 x 2 = 50 英尺的铜制控制线。如果控制线的直流电阻为 6.39 ohms/ft，则 50 英尺长的导线的总直流电阻应为 0.319 ohms。如果传感器是温度系数为 0.69 欧姆/华氏度的 100 欧姆铂金传感器，则 50 英尺的电线将引入 0.46 华氏度的误差。如果传感器是温度系数为 3000 欧姆的铂金传感器，则为每华氏度 4.8 欧姆，50 英尺的电线将引入 0.066 华氏度的误差。
因此，传感器元件的电阻越小，出错的可能性就越大。可以通过调整控制器上的校准设置来消除显着误差，或者，如果控制器是专门为此设计的，则可以将第三根电线连接到传感器并连接到专门的补偿电路，该电路旨在消除引线长度对测量的影响.