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閱讀：10發(fā)布時(shí)間：2025-1-26
電阻溫度傳感器工作原理
電阻溫度檢測(cè)器 (RTD) 工作原理
熱電阻溫度測(cè)量裝置
溫度的變化會(huì)導(dǎo)致材料的電阻發(fā)生變化。測(cè)量電阻變化以推斷溫度變化。
有兩種類(lèi)型的熱電阻測(cè)量設(shè)備：
●電阻溫度檢測(cè)器 (RTD)
●熱敏電阻
電阻溫度探測(cè)器
電阻溫度檢測(cè)器（縮寫(xiě)為 RTD）基本上是纏繞在線圈中的長(zhǎng)小直徑金屬線或基板上的蝕刻網(wǎng)格，很像應(yīng)變計(jì)。鉑是 RTD溫度傳感器的金屬。
工作原理
電阻溫度檢測(cè)器 (RTD) 的工作原理是金屬的電阻會(huì)隨著溫度的變化以基本線性和可重復(fù)的方式可預(yù)測(cè)地變化。RTD溫度傳感器具有正溫度系數(shù)（電阻隨溫度增加）。元件在基礎(chǔ)溫度下的電阻與元件的長(zhǎng)度和橫截面積的倒數(shù)成正比。
設(shè)計(jì)為測(cè)量帶有RTD溫度的典型電路實(shí)際測(cè)量中的變化性的RTD溫度傳感器，然后將其用于計(jì)算溫度變化的。RTD 溫度傳感器的電阻隨著溫度的升高而增加，就像應(yīng)變計(jì)的電阻隨著應(yīng)變的增加而增加一樣。
橋梁電路建設(shè)
下圖顯示了一個(gè)基本的橋式電路，它由三個(gè)已知電阻 R1、R2 和 R3（可變）、一個(gè)未知可變電阻器 RX (RTD)、一個(gè)電壓源和一個(gè)靈敏的電流表組成。
電阻器 R1 和 R2 是電橋的比率臂。它們對(duì)流經(jīng)安培計(jì)的電流的兩個(gè)可變電阻進(jìn)行比值。R3 是一個(gè)可變電阻器，稱(chēng)為標(biāo)準(zhǔn)臂，可調(diào)整以匹配未知電阻器。感應(yīng)電流表直觀地顯示流經(jīng)電橋電路的電流。電路分析表明，當(dāng)調(diào)節(jié)R3使電流表讀數(shù)為零時(shí)，橋式電路兩臂的電阻相同。電橋兩臂電阻的關(guān)系可表示為
由于 R1、R2 和 R3 的值是已知值，未知的是 Rx。在電流表為零的情況下，可以為電橋計(jì)算 Rx 的值。知道這個(gè)電阻值為校準(zhǔn)連接到電橋電路的儀器提供了一個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)。未知電阻 Rx 由下式給出
RTD 電橋電路操作
一個(gè)簡(jiǎn)單的電路是四分之一橋惠斯通電橋電路，這里稱(chēng)為兩線 RTD 溫度傳感器電橋 電路。
R引線表示從電橋到 RTD溫度傳感器 本身的其中一根導(dǎo)線（稱(chēng)為引線）的電阻。在應(yīng)變計(jì)電路中，引線電阻無(wú)關(guān)緊要，因?yàn)?R引線始終保持不變。
然而，對(duì)于 RTD 溫度傳感器電路，引線的某些部分會(huì)暴露在不斷變化的溫度中。由于金屬線的電阻隨溫度變化，R引線隨T 變化，這會(huì)引起測(cè)量誤差。這個(gè)錯(cuò)誤可能很重要——引線電阻的變化可能被誤解為 RTD 溫度傳感器電阻的變化。此外，上圖所示的兩線式 RTD溫度傳感器 電橋電路中有兩根引線，使誤差增加了一倍。一種旨在消除引線電阻誤差的巧妙電路稱(chēng)為三線 RTD溫度傳感器 橋式電路。三線RTD電橋電路如下圖所示。
它仍然是四分之一橋電路，因?yàn)樗膫€(gè)橋電阻器中只有一個(gè)被 RTD 取代。但是，其中一根引線已放置在電橋的 R 2腿上而不是 R 3腿上。
為了分析這個(gè)電路，假設(shè)初始時(shí)R 1 = R 4，R 2 = R 3，當(dāng)電橋平衡時(shí)。回憶惠斯通電橋的一般公式：
請(qǐng)注意，R 3和R 2在上述等式中具有相反的符號(hào)。因此，如果腳 2（頂部）和腳 3（底部）的引線電阻相同，引線電阻會(huì)相互抵消，對(duì)輸出電壓沒(méi)有凈影響，從而消除了誤差。
中間導(dǎo)線的第三個(gè)引線電阻 R引線怎么樣？嗯，因?yàn)?V o是用一個(gè)幾乎無(wú)限大的阻抗設(shè)備測(cè)量的，中間引線沒(méi)有電流流動(dòng)，所以它的電阻不會(huì)影響任何東西！
以下重新繪制的等效電路可能有助于解釋引線電阻抵消的原因：
在上圖中，很明顯，如果 R導(dǎo)程在橋的第 2 腿和第 3 腿中變化相等，則其效果會(huì)抵消。
RTD 材料與結(jié)構(gòu)
RTD 的作用有點(diǎn)像電傳感器，通過(guò)測(cè)量電阻將溫度變化轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。用作 RTD 傳感器的金屬是純金屬或某些質(zhì)量均勻的合金，它們的電阻隨著溫度的升高而增加，相反，隨著溫度的降低，電阻會(huì)減小。只有少數(shù)金屬具有在 RTD 元件中使用所需的特性。RTD 傳感器中使用的常見(jiàn)材料是 BALCO 線、銅、鉑。
●BALCO – 使用 BALCO 線構(gòu)造的傳感器是一種退火電阻合金，標(biāo)稱(chēng)成分為 70% 的鎳和 30% 的鐵。BALCO 500 歐姆電阻元件提供了從 –40 到 250° 的相對(duì)線性電阻變化。傳感器是一種質(zhì)量輕的設(shè)備，可以快速響應(yīng)溫度變化。當(dāng)通過(guò) BALCO 元件測(cè)量 1000 歐姆時(shí)，溫度約為 70°F。隨著溫度升高，電阻每 1°F 變化 2.2 歐姆。這稱(chēng)為電阻溫度系數(shù)曲線（TCR 曲線）。在 BALCO 中，由于電阻與溫度有直接關(guān)系，即隨著溫度的升高，電阻按比例增加。BALCO 通常的溫度測(cè)量范圍是 -40° 到 240°F。
●鉑金 –使用鉑金材料的 RTD 傳感器表現(xiàn)出線性響應(yīng)并且隨著時(shí)間的推移保持穩(wěn)定。在某些應(yīng)用中，使用較短的導(dǎo)線來(lái)提供 100 歐姆的標(biāo)稱(chēng)電阻。但是，低電阻值時(shí)，元件自熱和傳感器引線電阻會(huì)影響溫度指示。對(duì)于元件的少量電阻變化，必須使用額外的放大來(lái)增加信號(hào)電平。絕緣底座上的鉑膜傳感器在 74° 時(shí)提供高達(dá) 1000 歐姆的高電阻。憑借這種高電阻，傳感器相對(duì)不受自熱影響，并對(duì)溫度變化做出快速響應(yīng)。這種類(lèi)型的 RTD 元件很常見(jiàn)。
這些金屬 RTD 應(yīng)用，因?yàn)樗鼈兙哂芯€性電阻-溫度特性（如下圖所示）、高電阻系數(shù)以及承受重復(fù)溫度循環(huán)的能力。電阻系數(shù)是每度溫度變化的電阻變化，通常表示為每度溫度的百分比。使用的材料必須能夠拉成細(xì)線，以便可以輕松構(gòu)建元件。
銅和鎳版本在較低的溫度范圍內(nèi)運(yùn)行，并且比鉑金便宜。鉑金是用途的材料，因?yàn)樗哂袑拸V的溫度范圍（–200°C 至 850°C）、出色的重復(fù)性、穩(wěn)定性以及耐化學(xué)品和耐腐蝕性。
RTD 元件通常是由絕緣體包圍并封閉在金屬護(hù)套中的長(zhǎng)彈簧狀導(dǎo)線。下圖顯示了 RTD 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
這種特殊的設(shè)計(jì)有一個(gè)被瓷絕緣體包圍的鉑元素。絕緣體可防止電線和金屬護(hù)套之間發(fā)生短路。Inconel 是一種鎳鐵鉻合金，由于其固有的耐腐蝕性，通常用于制造 RTD 護(hù)套。當(dāng)置于液體或氣體介質(zhì)中時(shí)，Inconel 護(hù)套迅速達(dá)到介質(zhì)溫度。溫度的變化會(huì)導(dǎo)致鉑絲發(fā)熱或冷卻，導(dǎo)致電阻成比例變化。
優(yōu)點(diǎn)：電阻隨溫度呈線性，穩(wěn)定性好，工作溫度范圍寬 可在寬溫度范圍內(nèi)互換
缺點(diǎn)：電阻隨溫度變化小，響應(yīng)可能較慢，受自身發(fā)熱影響，變送器或需要三四線引線進(jìn)行引線電阻補(bǔ)償，需要外電路電源
其他事實(shí)
●RTD 通常用于感測(cè)管道和管道中的空氣和液體溫度，以及用作室溫傳感器。RTD 元件的電阻隨溫度而變化。一些元件在較寬的溫度范圍內(nèi)表現(xiàn)出較大的電阻變化、線性變化或兩者兼有。
●傳感器元件兩端的變化電壓決定了傳感器的電阻。為此目的提供的電源可能會(huì)導(dǎo)致元件輕微發(fā)熱，并可能導(dǎo)致溫度測(cè)量不準(zhǔn)確。降低電源電流或使用具有更高標(biāo)稱(chēng)電阻的元件可以限度地減少自熱效應(yīng)。
●一些 RTD 元件電阻低至 100 歐姆。在這些情況下，將 RTD 連接到控制器的引線電阻可能會(huì)顯著增加所連接 RTD 的總電阻，并可能導(dǎo)致溫度測(cè)量出現(xiàn)誤差。例如，距離控制器 25 英尺的傳感器具有 25 x 2 = 50 英尺的銅制控制線。如果控制線的直流電阻為 6.39 ohms/ft，則 50 英尺長(zhǎng)的導(dǎo)線的總直流電阻應(yīng)為 0.319 ohms。如果傳感器是溫度系數(shù)為 0.69 歐姆/華氏度的 100 歐姆鉑金傳感器，則 50 英尺的電線將引入 0.46 華氏度的誤差。如果傳感器是溫度系數(shù)為 3000 歐姆的鉑金傳感器，則為每華氏度 4.8 歐姆，50 英尺的電線將引入 0.066 華氏度的誤差。
因此，傳感器元件的電阻越小，出錯(cuò)的可能性就越大。可以通過(guò)調(diào)整控制器上的校準(zhǔn)設(shè)置來(lái)消除顯著誤差，或者，如果控制器是專(zhuān)門(mén)為此設(shè)計(jì)的，則可以將第三根電線連接到傳感器并連接到專(zhuān)門(mén)的補(bǔ)償電路，該電路旨在消除引線長(zhǎng)度對(duì)測(cè)量的影響.
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