電阻溫度檢測器RTD的缺點、響應(yīng)時間以及熱電效應(yīng)的總結(jié)

電阻溫度檢測器（RTD）是用于測量溫度的傳感器。許多RTD元件由包裹陶瓷或玻璃芯的細絲組成，但也可以使用其他結(jié)構(gòu)。

的RTD線是一個純粹的材料，通常為鉑，鎳，或銅。

該材料具有精確的電阻/溫度關(guān)系，用于提供溫度指示。由于RTD元件易碎，因此通常將它們放在保護性探頭中。電阻溫度檢測器的主要缺點如下：

自發(fā)熱

在施加電流以激發(fā)RTD元件以測量其信號時會產(chǎn)生熱能。

發(fā)生的自發(fā)熱將導(dǎo)致溫度測量錯誤。由于RTD會隨溫度變化而改變其電阻，因此測量RTD的非常實用方法是使電流流過RTD并測量產(chǎn)生的電壓降。

不幸的是，流經(jīng)元件電阻的勵磁電流試圖通過熱量耗散電能時會升高元件溫度，從而給我們的溫度測量增加了誤差。

對抗由自熱驅(qū)動的正向變速的方法是增加與我們正在檢測的材料的熱接觸，和/或減少激勵電流。

RTD傳感器的自發(fā)熱通常以mW /°C表示，這是指將內(nèi)部元件溫度提高1°C所需的功率。因此，該數(shù)字越高，自熱將越低。

例如，假設(shè)在100°C下使用2mA的勵磁電流來驅(qū)動100Ω的鉑RTD。這將產(chǎn)生138.5Ω的傳感器電阻。在水中以1m /秒的速度移動時，其自熱規(guī)格為50mW /°C。

因此，通過該配置產(chǎn)生的熱量為1000mW / W×I 2 * R ＝ 1000×（0.002A）2 ×138.5Ω＝ 0.55mW。

這導(dǎo)致僅（0.55mW）/（50mW /°C）= 0.01°C的自熱誤差。

重要的是要注意，元件的有效自加熱在很大程度上取決于元件所浸入的介質(zhì)。

例如，RTD可以在靜止空氣中自加熱的熱量比在應(yīng)用此規(guī)范的移動水中的熱量高100倍。

因為我們通過吸收電流來測量RTD的電阻，所以RTD消耗的I 2 R功率會導(dǎo)致元件自發(fā)熱。

自熱會改變RTD電阻并導(dǎo)致測量誤差增加。

通過提供較低的勵磁電流可以將自發(fā)熱的負面影響降到非常低。

某些儀器將使用低至0.1mA的RTD勵磁電流來非常小化此誤差。

在上面的示例中，即使在靜止的空氣中，這也會將自熱降低到?0.001mW / 50mW /°C = 0.00003°C，這是微不足道的數(shù)量。

該誤差的大小與傳感器元件的散熱能力成反比。這是它的材料，構(gòu)造和環(huán)境的產(chǎn)物。

小巧的RTD元件具有較小的散熱面積，因此具有較高的自熱效果。

也許非常壞的情況是薄膜RTD，該薄膜RTD通常具有較高的熱阻和相應(yīng)的較小表面積以散熱。

通常，RTD傳感器規(guī)格中提供了耗散常數(shù)。該數(shù)字與將RTD溫度升高一度所需的功率有關(guān)。

因此，25mW /°C的耗散常數(shù)表明，如果RTD中的I 2 R功率損耗等于25mW，則RTD將被加熱1°C。

耗散常數(shù)通常在兩個條件下指定：自由空氣和攪拌良好的油浴。這是因為介質(zhì)將熱量帶離設(shè)備的能力不同。

可以通過以下方法從RTD消耗的功率和耗散常數(shù)中找到自熱溫度升高：ΔT= P / PD

其中ΔT=由于以℃為單位的自熱而導(dǎo)致的溫度上升；P = RTD在電路中從W消耗的功率；PD = RTD的耗散常數(shù)，單位為W/°C。

總結(jié)：

自熱錯誤是由于RTD元件無法消散由通過測量電流施加的所需功率所產(chǎn)生的熱量所致。

ASTM標準要求在25°C的水中施加33 mW的誤差非常大為1°C，IEC在施加非常大工作電流時在25°C的水中誤差非常大為0.05°C。

這些測試方法是實驗室比較好的方法。對于在過程中正確浸入的PRT，工作電流為1 mA或更小，因此100ΩPRT的功率（I 2R）也很?。?.02–0.39 mW）。

電阻在500–1000Ω范圍內(nèi)的傳感器可能會出現(xiàn)較大的誤差，或者當(dāng)過程顯示出較差的傳熱條件（例如靜止空氣或低壓氣體）時，可能會發(fā)生較大的誤差。

熱電動勢或塞貝克或熱電效應(yīng)

也許您認為塞貝克效應(yīng)僅適用于熱電偶？但是，與熱電偶類似，鉑RTD也是使用兩種不同的金屬制成的-鉑RTD元素和引線的銅。

對于某些應(yīng)用，傳感器回路中的這些連接會產(chǎn)生塞貝克電壓，該電壓可以抵消電阻元件中產(chǎn)生的IR壓降并略微偏離讀數(shù)。

例如，如果允許沿著傳感元件產(chǎn)生溫度梯度，那么由于鉑傳感器元件與銅導(dǎo)線之間的結(jié)，會產(chǎn)生大約7uV /°C的熱電電壓。

對于大多數(shù)應(yīng)用而言，這種小的反電動勢將不會成為重要的誤差源，但會導(dǎo)致在以低激勵電流運行的超高精度測量系統(tǒng)中出現(xiàn)問題（可能是為了非常大程度地減少自發(fā)熱誤差）-通常僅在以下情況下會遇到這種情況：實驗室測量。

RTD的材料和結(jié)構(gòu)使其成為一個相對笨重的元素，這也使得使用RTD很難在單個接觸點上測量溫度。

但是，RTD提供了一種測量表面平均溫度的極佳方法，它通過在表面區(qū)域上分布電阻絲接觸來實現(xiàn)。

但是，如果這種表面接觸也擴展了一段距離，從而使元件兩端的導(dǎo)線連接距離太遠，則可能導(dǎo)致塞貝克誤差，這是兩者之間發(fā)生熱梯度的副產(chǎn)品。鉑銅與導(dǎo)線的連接。

這些錯誤可以通過使用適當(dāng)?shù)膶?dǎo)線和相對于導(dǎo)線的仔細傳感器位置來防止。

簡而言之，不同的引線材料（如銅）可以在其與鉑元素相連的地方產(chǎn)生一個T / C結(jié)，然后在另一端形成另一個T / C結(jié)。

如果兩個結(jié)的溫度不同，則將形成一個熱電電動勢，該熱電動勢會影響RTD元件的IR測量。

如果所有結(jié)均保持在均勻的溫度下，則由任意數(shù)量的不同材料組成的電路中的熱電電動勢的代數(shù)和為零。

因此，您只有兩種方法可以解決此問題：要么使用與元件相同材料的引線（不切實際，因為對于長引線的鉑金來說這將非常昂貴），或者只是保持每個元件的溫度不變連接相同的（即沿元件）或幾乎相同的結(jié)，這對電壓測量的凈電動勢貢獻可忽略不計。

總結(jié)：

熱電動勢誤差也稱為熱電偶效應(yīng)。此錯誤是由各種導(dǎo)線組成，材料均質(zhì)性中的導(dǎo)線連接以及PRT（RTD）中的溫度梯度引起的。

ASTM和IEC標準提供了有關(guān)高感測電流的指南-盡管存在EMF影響，但在接近標準工作電流的較低電流下會產(chǎn)生更大的影響。

此錯誤主要發(fā)生在直流系統(tǒng)中。為了非常大程度地減小熱電動勢誤差，請選擇具有較低指定電動勢的PRT。

此外，使用交流電流的電路和適當(dāng)?shù)剡x擇發(fā)射器可以消除EMF的影響。

響應(yīng)時間或時間響應(yīng)

RTD的時間常數(shù)是指其元件響應(yīng)于接觸溫度變化而改變電阻的速度。

快速的時間常數(shù)有助于減少遇到溫度快速變化的測量系統(tǒng)中的誤差。

當(dāng)我們考慮RTD的構(gòu)造時，我們可以推斷出響應(yīng)時間將對傳感器元件及其絕緣結(jié)構(gòu)的質(zhì)量以及對被感測材料的傳熱能力有很大的依賴性。

這直接影響熱量從外部傳感表面?zhèn)鬟f到芯傳感元件的速率。

相比之下，由于RTD會在更大的區(qū)域而不是像熱電偶那樣小的接觸點上測量溫度，并且因為RTD傳感元件必須絕緣，因此它的響應(yīng)時間比熱電偶慢得多。

同樣，與直接浸入液體中的相同傳感器相比，熱電偶套管中的RTD探針的反應(yīng)會更慢。

牢固結(jié)合的內(nèi)部組件中的傳感器的響應(yīng)速度是同一組件中單個松散接口的響應(yīng)速度的兩倍。

表面RTD將更快速地響應(yīng)表面溫度變化。

給定傳感器的響應(yīng)時間通常定義為響應(yīng)接觸溫度的階躍變化，在熱平衡時傳感器達到其非常終值的63％所需的時間。

這些時間通常表示為在以1m / sec（3英尺/秒）流動的水和/或以3m / sec（10英尺/秒）流動的空氣中測量的時間。

盡管不太常見，但有時響應(yīng)時間將指鉑RTD達到其非常終值的90％（而不是63％）的時間間隔。

在比較傳感器類型時，請務(wù)必注意這一區(qū)別。

總結(jié)：

如果PRT（RTD）無法足夠快地響應(yīng)溫度變化，則在溫度瞬變期間可能會產(chǎn)生與時間響應(yīng)有關(guān)的錯誤。

在穩(wěn)態(tài)或接近穩(wěn)態(tài)操作期間，該誤差為零。盡管有一種測試方法可以描述PRT的響應(yīng)時間以進行比較，但ASTM和IEC并未定義此錯誤。

當(dāng)監(jiān)視瞬態(tài)條件很重要時，可以通過選擇具有更快的實驗室測試響應(yīng)時間的傳感器并評估與過程相關(guān)的變化率以非常匹配傳感器的時間響應(yīng)性能來非常大程度地減少此錯誤。