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電阻溫度傳感器工作原理

電阻溫度檢測器 (RTD) 工作原理

熱電阻溫度測量裝置

溫度的變化會導(dǎo)致材料的電阻發(fā)生變化。測量電阻變化以推斷溫度變化。

有兩種類型的熱電阻測量設(shè)備：

●電阻溫度檢測器 (RTD)
●熱敏電阻

電阻溫度探測器

電阻溫度檢測器（縮寫為 RTD）基本上是纏繞在線圈中的長小直徑金屬線或基板上的蝕刻網(wǎng)格，很像應(yīng)變計。鉑是 RTD溫度傳感器的金屬。

工作原理

電阻溫度檢測器 (RTD) 的工作原理是金屬的電阻會隨著溫度的變化以基本線性和可重復(fù)的方式可預(yù)測地變化。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度和橫截面積的倒數(shù)成正比。

設(shè)計為測量帶有RTD溫度的典型電路實際測量中的變化性的RTD溫度傳感器，然后將其用于計算溫度變化的。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)

下圖顯示了一個基本的橋式電路，它由三個已知電阻 R1、R2 和 R3（可變）、一個未知可變電阻器 RX (RTD)、一個電壓源和一個靈敏的電流表組成。

電阻器 R1 和 R2 是電橋的比率臂。它們對流經(jīng)安培計的電流的兩個可變電阻進行比值。R3 是一個可變電阻器，稱為標準臂，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，當調(diào)節(jié)R3使電流表讀數(shù)為零時，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，可以為電橋計算 Rx 的值。知道這個電阻值為校準連接到電橋電路的儀器提供了一個基準點。未知電阻 Rx 由下式給出

RTD 電橋電路操作

一個簡單的電路是四分之一橋惠斯通電橋電路，這里稱為兩線 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（稱為引線）的電阻。在應(yīng)變計電路中，引線電阻無關(guān)緊要，因為 R引線始終保持不變。

然而，對于 RTD 溫度傳感器電路，引線的某些部分會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，這會引起測量誤差。這個錯誤可能很重要——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，因為四個橋電阻器中只有一個被 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。

為了分析這個電路，假設(shè)初始時R 1 = R 4，R 2 = R 3，當電橋平衡時?；貞浕菟雇姌虻囊话愎剑?br />
請注意，R 3和R 2在上述等式中具有相反的符號。因此，如果腳 2（頂部）和腳 3（底部）的引線電阻相同，引線電阻會相互抵消，對輸出電壓沒有凈影響，從而消除了誤差。

中間導(dǎo)線的第三個引線電阻 R引線怎么樣？嗯，因為 V o是用一個幾乎無限大的阻抗設(shè)備測量的，中間引線沒有電流流動，所以它的電阻不會影響任何東西！

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，則其效果會抵消。

RTD 材料與結(jié)構(gòu)

RTD 的作用有點像電傳感器，通過測量電阻將溫度變化轉(zhuǎn)換為電壓信號。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，標稱成分為 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。當通過 BALCO 元件測量 1000 歐姆時，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)線來提供 100 歐姆的標稱電阻。但是，低電阻值時，元件自熱和傳感器引線電阻會影響溫度指示。對于元件的少量電阻變化，必須使用額外的放大來增加信號電平。絕緣底座上的鉑膜傳感器在 74° 時提供高達 1000 歐姆的高電阻。憑借這種高電阻，傳感器相對不受自熱影響，并對溫度變化做出快速響應(yīng)。這種類型的 RTD 元件很常見。
這些金屬 RTD 應(yīng)用，因為它們具有線性電阻-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)運行，并且比鉑金便宜。鉑金是用途的材料，因為它具有寬廣的溫度范圍（–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套中的長彈簧狀導(dǎo)線。下圖顯示了 RTD 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

這種特殊的設(shè)計有一個被瓷絕緣體包圍的鉑元素。絕緣體可防止電線和金屬護套之間發(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 護套。當置于液體或氣體介質(zhì)中時，Inconel 護套迅速達到介質(zhì)溫度。溫度的變化會導(dǎo)致鉑絲發(fā)熱或冷卻，導(dǎo)致電阻成比例變化。

優(yōu)點：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：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行引線電阻補償，需要外電路電源

其他事實

●RTD 通常用于感測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導(dǎo)致元件輕微發(fā)熱，并可能導(dǎo)致溫度測量不準確。降低電源電流或使用具有更高標稱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顯著增加所連接 RTD 的總電阻，并可能導(dǎo)致溫度測量出現(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，出錯的可能性就越大?？梢酝ㄟ^調(diào)整控制器上的校準設(shè)置來消除顯著誤差，或者，如果控制器是專門為此設(shè)計的，則可以將第三根電線連接到傳感器并連接到專門的補償電路，該電路旨在消除引線長度對測量的影響.

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