RTD 基础知识——电阻温度检测器简介

电阻温度检测器或 RTD 可能是简单的温度传感器类型。这些设备的工作原理是金属的电阻随温度变化。纯金属通常具有正的电阻温度系数，这意味着它们的电阻随温度升高而增加。RTD 可在 -200 °C 至 +850 °C 的较大温度范围内工作，并提供高精度、出色的长期稳定性和可重复性。

在本文中，我们将讨论使用 RTD 的权衡、其中使用的金属、两种类型的 RTD，以及 RTD 与热电偶的比较。 

在深入探讨之前，让我们先看一个示例应用程序图，以更好地了解 RTD 基础知识。 

 

RTD 应用图示例

RTD 是一种无源设备，不会自行产生输出信号。图 1 显示了一个简化的 RTD 应用图。

 

图 1.  RTD 应用图示例。图片由TI提供

 

激励电流 I1 通过传感器的温度相关电阻。这会产生一个与激励电流和 RTD 电阻成正比的电压信号。RTD 两端的电压然后被放大并传送到 ADC （模数转换器）以产生可用于计算 RTD 温度的数字输出代码。

 

使用 RTD 传感器的权衡——RTD 传感器的优点和缺点

在深入研究之前，请务必注意 RTD 信号调理的详细信息将在以后的文章中介绍。对于本文，我想强调使用 RTD 电路时的一些基本权衡。

首先，请注意，激励电流通常限制在 1 mA 左右，以限度地减少自热效应。当激励电流流过 RTD 时，它会产生 I 2 R 或焦耳热。自热效应可以将传感器温度升高到高于实际测量的周围环境温度的值。减小励磁电流可以降低自热效应。还值得一提的是，自热效应取决于 RTD 浸入的介质。例如，放置在静止空气中的 RTD 的自热效应可能比浸入流动水中的 RTD 更明显。

对于给定的可检测温度变化，RTD 电压的变化应该足够大以克服系统噪声以及不同系统参数的偏移和漂移。由于自热效应限制了激励电流，我们需要使用电阻足够大的RTD，因此会为下游信号处理块产生较大的电压。虽然需要较大的 RTD 电阻以减少测量误差，但我们不能任意增加电阻，因为较大的 RTD 电阻会导致响应时间变慢。

 

RTD 金属：铂 RTD、金 RTD 和铜 RTD 之间的区别

理论上，任何种类的金属都可用于构建 RTD。1860 年CW Siemens 发明的个 RTD使用了一根铜线。然而，西门子很快发现铂 RTD在更宽的温度范围内产生更准确的结果。

如今，铂 RTD 是精密测温中使用广泛的温度传感器。铂金具有线性电阻-温度关系，并且在大温度范围内具有高可重复性。此外，铂不会与空气中的大多数污染物气体发生反应。

除了铂之外，另外两种常见的 RTD 材料是镍和铜。表 1 提供了一些常见 RTD 金属的温度系数和相对电导率。

 

表 1. 常见 RTD 金属的温度系数和相对电导率。数据由BAPI提供

金属	相对电导率（铜 = 100% @ 20 °C）	电阻温度系数
退火铜	100%	0.00393 Ω/Ω/°C
金子	65%	0.0034 Ω/Ω/°C
铁	17.70%	0.005 Ω/Ω/°C
镍	12-16%	0.006 Ω/Ω/°C
铂	15%	0.0039 欧姆/欧姆/°C
银	106%	0.0038 Ω/Ω/°C

 

在上一节中，我们讨论了较大的 RTD 电阻可以减少测量误差。与铂和镍相比，铜具有更高的导电性（或等效地，具有更低的电阻）。对于给定的传感器尺寸和激励电流，铜质 RTD 可以产生相对较小的电压。因此，铜质 RTD 测量微小的温度变化可能更具挑战性。此外，铜在较高温度下会氧化，因此测量范围也仅限于 -200 至 +260 °C。尽管存在这些限制，但由于其线性度和低成本，铜仍在某些应用中使用。如下图 2 所示，在三种常见的 RTD 金属中，铜具有线性的电阻-温度特性。

 

图 2. 镍、铜和铂 RTD 的电阻与温度特性。图片由TE Connectivity提供

 

金和银的电阻也相对较低，很少用作 RTD 元件。镍的电导率接近铂。从图 2 中可以看出，对于给定的温度变化，镍提供的电阻变化。

然而，与铂相比，镍提供了更低的温度范围、更大的非线性度和更大的长期漂移。此外，镍的电阻因批次而异。由于这些限制，镍主要用于消费品等低成本应用。

常见的铂 RTD 有 Pt100 和 Pt1000。这些名称描述了传感器结构中使用的金属类型（铂或 Pt）以及 0 °C 时的标称电阻，对于 Pt100 和 Pt1000 类型分别为 100 Ω 和 1000 Ω。Pt100型过去比较流行；然而，今天的趋势是使用更高电阻的 RTD，因为更高的电阻可以提供更高的灵敏度和分辨率，而成本很少或没有额外成本。由铜和镍制成的 RTD 也使用类似的命名约定。表 2 列出了一些常见类型。

 

表 2.  RTD 类型、材料和温度范围。数据由Analog Devices提供

热电阻类型	材料	范围
Pt100, Pt1000	铂（数字是 0 °C 时的电阻）	-200 °C 至 +850 °C
Pt200, Pt500	铂（数字是 0 °C 时的电阻）	-200 °C 至 +850 °C
Cu10, Cu100	铜（数字是 0 °C 时的电阻）	-100 °C 至 +260 °C
镍120	镍（数字是 0 °C 时的电阻）	-80 °C 至 +260 °C

 

除了使用的金属类型外，RTD 的机械结构也会影响传感器性能。RTD 可分为两种基本类型：薄膜型和绕线型。这两种类型将在以下各节中讨论。

 

薄膜与线绕 RTD

为了进一步讨论 RTD，让我们探讨两种类型：薄膜和绕线。 

 

薄膜 RTD 基础知识

薄膜型的结构如图3(a)所示。  

 

图 3. 薄膜 RTD 示例，其中 (a) 显示结构，(b) 显示不同的总体类型。图片（修改后）由Evosensors提供

 

在薄膜 RTD 中，铂薄层沉积在陶瓷基板上。随后是非常高温的退火和稳定化，以及覆盖整个元件的薄保护玻璃层。图 3(a) 中所示的修整区域用于将制造的电阻调整到指定的目标值。

薄膜 RTD 依赖于相对较新的技术，能够显着减少组装时间和生产成本。与我们将在下一节中深入探讨的绕线型相比，薄膜 RTD 更能抵抗冲击或振动造成的损坏。此外，薄膜 RTD 可以在相对较小的面积内容纳较大的电阻。例如，一个 1.6 mm ? 2.6 mm 的传感器提供了足够的面积来产生 1000 Ω 的电阻。由于体积小，薄膜 RTD 可以快速响应温度变化。这些设备适合许多通用应用。这种类型的缺点是长期稳定性相对较差，温度范围较窄。

 

线绕 RTD

下面的图 4 显示了基本绕线 RTD 的结构。

 

图 4. 基本绕线 RTD 的结构概览。图片由PR Electronics提供

 

这种类型的 RTD 是通过将一段铂金缠绕在陶瓷或玻璃芯上而制成的。出于保护目的，整个元件通常封装在陶瓷或玻璃管内。带有陶瓷芯的 RTD 适用于测量非常高的温度。绕线 RTD 通常比薄膜类型更准确。然而，它们更昂贵并且更容易被振动损坏。

为了限度地减少铂丝上的任何应变，传感器结构中使用的材料的热膨胀系数应与铂相匹配。相同的热膨胀系数可限度地减少 RTD 元件的长期应力引起的电阻变化，从而提高传感器的可重复性和稳定性。

 

RTD 与热电偶属性

为了结束关于 RTD 温度传感器的对话，下面是 RTD 和热电偶传感器之间的简短比较。

热电偶产生的电压与其两个结之间的温差成正比。热电偶是自供电的，不需要外部激励，而基于 RTD 的温度测量则需要激励电流或电压。热电偶输出指定冷端和热端之间的温差，因此在热电偶应用中需要冷端补偿。另一方面，RTD 应用不需要冷端补偿，从而使测量系统更加简单。

热电偶通常用于 -184 °C 至 2300 °C 范围，而 RTD 可以测量 -200 °C 至 +850 °C 范围。尽管 RTD 通常比热电偶更准确，但它们的价格大约是热电偶的两到三倍。另一个区别是 RTD 比热电偶更线性，并且表现出出色的长期稳定性。对于热电偶，传感器材料中的化学变化会降低长期稳定性并导致传感器读数漂移。