電阻溫度檢測器RTD的缺點(diǎn)響應時(shí)間以及熱電效應的總結

上海自動(dòng)化儀表有限公司電阻溫度檢測器（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構。

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(diǎn)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(shí)會(huì )產(chǎn)生熱能。

發(fā)生的自發(fā)熱將導致溫度測量錯誤。由于RTD會(huì )隨溫度變化而改變其電阻，因此測量RTD的非常實(shí)用方法是使電流流過(guò)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(guò)熱量耗散電能時(shí)會(huì )升高元件溫度，從而給我們的溫度測量增加了誤差。對抗由自熱驅動(dòng)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，這是指將內部元件溫度提高1°C所需的功率。因此，該數字越高，自熱將越低。例如，假設在100°C下使用2mA的勵磁電流來(lái)驅動(dòng)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(dòng)時(shí)，其自熱規格為50mW /°C。

因此，通過(guò)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用此規范的移動(dòng)水中的熱量高100倍。

因為我們通過(guò)吸收電流來(lái)測量RTD的電阻，所以RTD消耗的I 2 R功率會(huì )導致元件自發(fā)熱。

自熱會(huì )改變RTD電阻并導致測量誤差增加。

通過(guò)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(lái)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(huì )將自熱降低到?0.001mW / 50mW /°C = 0.00003°C，這是微不足道的數量。

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的較小表面積以散熱。

通常，RTD傳感器規格中提供了耗散常數。該數字與將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。

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

可以通過(guò)以下方法從RTD消耗的功率和耗散常數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，單位為W/°C。

總結：

自熱錯誤是由于RTD元件無(wú)法消散由通過(guò)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(shí)在25°C的水中誤差非常大為0.05°C。

這些測試方法是實(shí)驗室比較好的方法。對于在過(guò)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范圍內的傳感器可能會(huì )出現較大的誤差，或者當過(guò)程顯示出較差的傳熱條件（例如靜止空氣或低壓氣體）時(shí)，可能會(huì )發(fā)生較大的誤差。

熱電動(dòng)勢或塞貝克或熱電效應

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

對于某些應用，傳感器回路中的這些連接會(huì )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。

例如，如果允許沿著(zhù)傳感元件產(chǎn)生溫度梯度，那么由于鉑傳感器元件與銅導線(xiàn)之間的結，會(huì )產(chǎn)生大約7uV /°C的熱電電壓。

對于大多數應用而言，這種小的反電動(dòng)勢將不會(huì )成為重要的誤差源，但會(huì )導致在以低激勵電流運行的超高精度測量系統中出現問(wèn)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(huì )遇到這種情況：實(shí)驗室測量。

RTD的材料和結構使其成為一個(gè)相對笨重的元素，這也使得使用RTD很難在單個(gè)接觸點(diǎn)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(guò)在表面區域上分布電阻絲接觸來(lái)實(shí)現。

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線(xiàn)連接距離太遠，則可能導致塞貝克誤差，這是兩者之間發(fā)生熱梯度的副產(chǎn)品。鉑銅與導線(xiàn)的連接。

這些錯誤可以通過(guò)使用適當的導線(xiàn)和相對于導線(xiàn)的仔細傳感器位置來(lái)防止。

簡(jiǎn)而言之，不同的引線(xiàn)材料（如銅）可以在其與鉑元素相連的地方產(chǎn)生一個(gè)T / C結，然后在另一端形成另一個(gè)T / C結。如果兩個(gè)結的溫度不同，則將形成一個(gè)熱電電動(dòng)勢，該熱電動(dòng)勢會(huì )影響RTD元件的IR測量。

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

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

總結：

熱電動(dòng)勢誤差也稱(chēng)為熱電偶效應。此錯誤是由各種導線(xiàn)組成，材料均質(zhì)性中的導線(xiàn)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(huì )產(chǎn)生更大的影響。

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

此外，使用交流電流的電路和適當地選擇發(fā)射器可以消除EMF的影響。

響應時(shí)間或時(shí)間響應

RTD的時(shí)間常數是指其元件響應于接觸溫度變化而改變電阻的速度。

快速的時(shí)間常數有助于減少遇到溫度快速變化的測量系統中的誤差。

當我們考慮RTD的構造時(shí)，我們可以推斷出響應時(shí)間將對傳感器元件及其絕緣結構的質(zhì)量以及對被感測材料的傳熱能力有很大的依賴(lài)性。

這直接影響熱量從外部傳感表面傳遞到芯傳感元件的速率。

相比之下，由于RTD會(huì )在更大的區域而不是像熱電偶那樣小的接觸點(diǎn)上測量溫度，并且因為RTD傳感元件必須絕緣，因此它的響應時(shí)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探針的反應會(huì )更慢。

牢固結合的內部組件中的傳感器的響應速度是同一組件中單個(gè)松散接口的響應速度的兩倍。

表面RTD將更快速地響應表面溫度變化。

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

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

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

在比較傳感器類(lèi)型時(shí)，請務(wù)必注意這一區別。

總結：

如果PRT（RTD）無(wú)法足夠快地響應溫度變化，則在溫度瞬變期間可能會(huì )產(chǎn)生與時(shí)間響應有關(guān)的錯誤。在穩態(tài)或接近穩態(tài)操作期間，該誤差為零。盡管有一種測試方法可以描述PRT的響應時(shí)間以進(jìn)行比較，但ASTM和IEC并未定義此錯誤。

當監視瞬態(tài)條件很重要時(shí)，上海自動(dòng)化儀表有限公司可以通過(guò)選擇具有更快的實(shí)驗室測試響應時(shí)間的傳感器并評估與過(guò)程相關(guān)的變化率以非常匹配傳感器的時(shí)間響應性能來(lái)非常大程度地減少此錯誤。