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電阻元件與RTD的特性
電阻元件種類繁多，它們符合不同的標(biāo)準,，能夠在不同的溫度范圍中工作,，具有各種規(guī)格和精度,。然而,，它們的工作方式都一樣：每個電阻元件都有預(yù)先規(guī)定的已知溫度下的電阻值,，該電阻值的變化是可以預(yù)測的。這樣,，通過測量元件的電阻,，便可以通過表格,、計算或者儀表確定元件的溫度,。這些電阻元件是RTD（電阻式溫度檢測器）的核心。通常,，裸露電阻元件過于脆弱和靈敏,，無法以其原始形態(tài)使用，因此必須把電阻元件封裝到RTD內(nèi)加以保護,。
電阻式溫度檢測器是一個通用術(shù)語,，可表示通過測量材料電阻的變化來感知溫度的任何器件。RTD形式眾多,，但通常都以帶護套的形式出現(xiàn),。RTD探頭是由電阻元件、護套,、導(dǎo)線以及端子或連接件組成的組件,。護套是一種一端封閉的管，它固定住元件,，保護元件不受濕氣及待測環(huán)境的影響,。護套還保護接自脆弱元件測溫線的過渡導(dǎo)線,，并增強其穩(wěn)定性。
一些RTD探頭可與熱電偶套管組合使用,，進一步加強了保護,。在這類應(yīng)用中，熱電偶套管不僅增強了RTD的保護,，而且還使RTD要測量的任何系統(tǒng)（例如箱體或鍋爐）不會與RTD發(fā)生實際接觸,。這為更換RTD提供了極da的方便，因為用不著排空容器或系統(tǒng),。
熱電偶是一種久經(jīng)考驗,、行之有效的電子溫度測量方法。它們的工作方式與RTD大相徑庭,，但通常具有相同的結(jié)構(gòu)：常常帶有護套并且還可能在熱電偶套管內(nèi),。
究其本質(zhì)，熱電偶利用了塞貝克效應(yīng),，該效應(yīng)使得由溫度變化導(dǎo)致的熱電電動勢發(fā)生變化,。許多應(yīng)用既適合使用RTD，也適合使用熱電偶,。熱電偶往往更加結(jié)實,、不存在自熱誤差，并且它們可以控制各種各樣的儀表,。但是,，RTD，尤其是鉑RTD則更加可靠,、更加精que,。
電阻元件的特征
下面是幾個極其重要的細節(jié)，必須詳細說明才能正確認識RTD的特征：
1. 電阻元件的材質(zhì)（鉑,、鎳等）
2. 溫度系數(shù)
3. 標(biāo)稱電阻
4. 應(yīng)用溫度范圍
5. 外形尺寸或規(guī)格限制
6. 精度
1. 電阻元件的材質(zhì)
有幾種金屬經(jīng)常在電阻元件中使用,，金屬的純度會影響電阻元件的特征。由于與溫度之間的線性關(guān)系,，鉑是迄今為止wei常用的電阻元件金屬,。其它常用材料有鎳和銅，但是大多數(shù)這些材料的電阻元件正在被鉑電阻元件所取代,。使用的其它金屬（很少使用）有Balco（一種鐵鎳合金）,、鎢和銥。
2. 溫度系數(shù)
元件的溫度系數(shù)是材料的物理和電氣特性,。該術(shù)語描述在水的冰點與沸點溫度范圍內(nèi)每單位溫度的平均電阻值變化,。不同組織采用不同的溫度系數(shù)作為其標(biāo)準,。1983年,，IEC（電工委員會）采用了DIN（德國標(biāo)準化學(xué)會）的0?C時電阻為100歐姆的鉑為標(biāo)準,，其溫度系數(shù)為0.00385歐姆/歐姆/攝氏度,。該溫度系數(shù)目前是大多數(shù)國家中認可的行業(yè)標(biāo)準，但其它單位也在廣泛使用,。下面對如何得出溫度系數(shù)進行簡要說明：沸點(100?C)時的電阻 = 138.50歐姆,。冰點(0?C)時的電阻 = 100.00歐姆。將差值(38.5)除以100度,，再除以元件的標(biāo)稱電阻100歐姆,。結(jié)果就是平均溫度系數(shù)
（α）0.00385歐姆/歐姆/?C。
下面是一些不太常用的材料及溫度系數(shù)：
鉑熱電偶 | = | 0.003902 |
鉑熱電偶 | = | 0.003920 |
鉑熱電偶 | = | 0.003923 (SAMA) |
鉑熱電偶 | = | 0.003916 (JIS) |
銅熱電偶 | = | 0.0042 |
鎳熱電偶 | = | 0.00617 (DIN) |
鎳熱電偶 | = | 0.00672 |
Balco TC | = | 0.0052 |
鎢熱電偶 | = | 0.0045 |
請注意,，溫度系數(shù)是0 ~ 100?C范圍內(nèi)的平均值,。這并不是說在規(guī)定溫度范圍內(nèi)電阻與溫度曲線*呈線性。
3. 標(biāo)稱電阻
標(biāo)稱電阻是預(yù)先規(guī)定的給定溫度下的電阻值,。包括IEC-751在內(nèi)的大多數(shù)標(biāo)準都使用0?C作為參考點,。IEC標(biāo)準是0?C時電阻值為100歐姆，但還可以提供其它標(biāo)稱電阻,，如50,、200、400,、500,、1000和2000歐姆。
4. 應(yīng)用溫度范圍
根據(jù)機械結(jié)構(gòu)與加工方法,，RTD可以在-270 ~ 850?C范圍內(nèi)使用,。例如，對于薄膜式,、繞線式和玻璃封裝式RTD,，溫度范圍規(guī)格將不所不同。
5. 外形尺寸或規(guī)格限制
元件重要的尺寸是外徑(O.D.),，這是因為元件通常必須裝入護套內(nèi),。薄膜式元件沒有外徑尺寸,。若要計算等效尺寸,，我們需要找到端截面的對角線。在元件插入護套的過程中,，對角線將是元件上寬的距離,。
可允許的基本值偏差
* | ||
溫度?C | 偏差 | |
歐姆 | ?C | |
-200 | ±0.24 | ±0.55 |
-100 | ±0.14 | ±0.35 |
0 | ±0.06 | ±0.15 |
100 | ±0.13 | ±0.35 |
200 | ±0.20 | ±0.55 |
300 | ±0.27 | ±0.75 |
400 | ±0.33 | ±0.95 |
500 | ±0.38 | ±1.15 |
600 | ±0.43 | ±1.35 |
650 | ±0.46 | ±1.45 |
B級 | ||
溫度?C | 偏差 | |
歐姆 | ?C | |
-200 | ±0.56 | ±1.3 |
-100 | ±0.32 | ±0.8 |
0 | ±0.12 | ±0.3 |
100 | ±0.30 | ±0.8 |
200 | ±0.48 | ±1.3 |
300 | ±0.64 | ±1.8 |
400 | ±0.79 | ±2.3 |
500 | ±0.93 | ±2.8 |
600 | ±1.06 | ±3.3 |
650 | ±1.13 | ±3.6 |
700 | ±1.17 | ±3.8 |
800 | ±1.28 | ±4.3 |
例如，在使用尺寸為10 x 2 x 1.5 mm的元件時,，可以通過計算(22 + 1.52)的平方根來獲得對角線長度,。因此，該元件可以裝入內(nèi)徑為2.5 mm (0.98")的孔中,。一般來講,，為了實用起見,，請記住，任何寬度為2 mm或更小的元件都可以裝入外徑為1⁄8",、壁厚為0.010"的護套中,。寬度為1.5 mm的元件通常可以裝入孔徑為0.084"的護套中,。參見圖1,。
6. 精度
IEC 751鉑電阻溫度計規(guī)格采用了DIN43760的精度要求。本頁表中顯示的是DIN-IEC *與B級元件,。
7. 響應(yīng)時間
50%響應(yīng)是指溫度計元件要達到其穩(wěn)態(tài)值的50%所需的時間,。90%響應(yīng)以類似方式定義。這些元件的響應(yīng)時間是在流速為0. 2 m/s的水中以及流速為1 m/s空氣中得到的,。還可以計算在已知導(dǎo)熱系數(shù)值的任何其它介質(zhì)中的響應(yīng)時間,。在浸入流速為3英尺/秒水中的直徑為1⁄4"的護套內(nèi)，達到溫度階躍變化的63%所需的響應(yīng)時間不到5.0秒,。
8. 測量電流和自熱
溫度測量幾乎都使用直流電進行,。不可避免地是，測量電流會在RTD中產(chǎn)生熱量,?？稍试S測量電流是通過元件位置、待測量介質(zhì)以及流動介質(zhì)的速度確定的,。自熱系數(shù)"S"給出了元件的測量誤差,，單位為?C/毫瓦(mW)。給定測量電流I的值,，毫瓦值P可以通過P = I2R計算,，其中R是RTD的電阻值。然后,，溫度測量誤差ΔT (?C)可以用
ΔT = P x S計算,。
電阻元件規(guī)格
穩(wěn)定性：在gao溫度工作10,000小時后低于0.2?C（1年、51天,、連續(xù)16小時）,。
抗振性：頻率范圍為20 ~ 1000 cps。
抗熱沖擊系數(shù)：強制通風(fēng)：整個溫度范圍內(nèi),。水淬：從200?C降低到20?C,。
壓力靈敏度：小于1.5 x 10-4 C/PSI，可逆,。
自熱誤差與響應(yīng)時間：參閱所選類型元件特定的溫度網(wǎng)頁,。
感應(yīng)電流自感量：對于薄膜式元件，可視為忽略不計；對于繞線式元件,，通常小于0.02微亨利,。
電容：對于繞線式元件：計算結(jié)果為不到6PF；對于薄膜式元件：電容太小而無法測量,，并且電容受到導(dǎo)線連接的影響,。導(dǎo)線與元件之間的連接表示大約300 pF的電容。
導(dǎo)線配置
如前所述,，電阻式溫度檢測器(RTD)元件通常帶有護套,。顯然，所有適用于電阻元件的標(biāo)準在這里也適用,，但必須考慮整個RTD組件的結(jié)構(gòu)和尺寸,，而不是考慮元件尺寸。由于電阻元件與測量儀器之間使用的導(dǎo)線自身帶有電阻,，我們還必須提供一種補償方法,，對這種誤差予以補償。參見圖2,，了解兩線配置,。
圖2.兩線配置（類型1）
圓形表示校準范圍以內(nèi)的電阻元件。三線或四線配置必須從校準范圍內(nèi)擴展,，使得所有未校準的電阻得到補償,。
電阻RE是電阻元件的電阻值，該電阻為我們提供精que的溫度測量值,。遺憾的是,，在進行電阻測量時，儀器顯憾的是,，在進行電阻測量時,，儀器顯
RTOTAL:
其中，
RT = R1 + R2 + RE
這樣,，產(chǎn)生的溫度讀數(shù)將高于實際測量的溫度,。可以對許多系統(tǒng)進行校準,，以便對此進行補償,。大多數(shù)RTD都包括第三條線，其電阻為R3,。這條線將與導(dǎo)線2一起連接到電阻元件的一側(cè),，如圖3中所示。
這種配置在傳感器的一端提供一個連接,，在其另一端提供兩個連接。與專門接受三線制輸入的儀表連接后，便可以對導(dǎo)線電阻以及導(dǎo)線電阻引起的溫度變化進行補償,。這是用的一種配置,。
圖3.三線配置（類型2）
如果使用了三條相同類型的線并且它們的長度相等，則R1 = R2 = R3,。通過測量通過導(dǎo)線1,、2與電阻元件的電阻，可以測得系統(tǒng)總電阻(R1 + R2 +RE),。如果還測量了導(dǎo)線2與3的電阻(R2 + R3),，可以得到僅導(dǎo)線的電阻，并且由于所有導(dǎo)線電阻都相等,，從系統(tǒng)總電阻(R1 + R2 + RE)中減去此值(R2 + R3),，我們就可以僅得到RE，因此進行的溫度測量是精que的,。還會使用四線配置,。（參見圖4。）傳感器的每一端都提供了兩個連接,。這種配置用于精度gao的測量,。
圖4. 四線配置（類型3）
在四線配置中，儀表將使一個恒定電流(I)通過外側(cè)導(dǎo)線1和4,。
測量了內(nèi)側(cè)導(dǎo)線2和3之間的壓降,。因而，通過公式V = IR,，我們可以得到元件自身的電阻,，而不受到導(dǎo)線電阻的影響。僅當(dāng)使用不同導(dǎo)線時,，這種配置才比三線配置有優(yōu)勢,，然而這種情況很少見。
還有一種現(xiàn)在很罕見的配置,，即在一側(cè)帶有導(dǎo)線閉環(huán)回路的標(biāo)準兩線配置（圖5）,。其功能與三線配置相同，但使用了額外一條線才實現(xiàn)了此功能,。單獨的一對線作為回路提供,，以便對導(dǎo)線電阻以及導(dǎo)線電阻引起的溫度變化提供補償。
圖5.帶回路的兩線配置（類型4）
