電阻溫度傳感器的缺點(diǎn)

電阻溫度檢測(cè)器( RTD ) 是用于測(cè)量溫度的傳感器。許多RTD溫度傳感器元件由一段纏繞在陶瓷或玻璃芯上的細(xì)線組成，但也使用其他結(jié)構(gòu)。

的RTD線是一個(gè)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溫度傳感器元件易碎，它們通常安裝在保護(hù)探頭中。

以下是電阻溫度探測(cè)器的主要缺點(diǎn)是：

自加熱
在施加電流以激發(fā) RTD溫度傳感器元件以測(cè)量其信號(hào)時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱能。

發(fā)生的自熱會(huì)導(dǎo)致溫度測(cè)量出現(xiàn)誤差。由于RTD溫度傳感器會(huì)根據(jù)溫度改變其電阻，因此的測(cè)量方法是讓電流通過(guò)它并測(cè)量由此產(chǎn)生的電壓降。

不幸的是，這種通過(guò)元件電阻的激勵(lì)電流會(huì)提高元件溫度，因?yàn)樗噲D通過(guò)熱量耗散這種電能，從而增加了我們的溫度測(cè)量誤差。

對(duì)抗由自熱驅(qū)動(dòng)的正向轉(zhuǎn)變的方法是增加與我們正在感測(cè)的材料的熱接觸，和/或減少激勵(lì)電流。

RTD 傳感器的自熱通常以 mW/°C 表示，它指的是將內(nèi)部元件溫度升高 1°C 所需的功率。因此，這個(gè)數(shù)字越高，自熱就越低。

例如，假設(shè)在 100°C 下使用 2mA 的激勵(lì)電流驅(qū)動(dòng) 100Ω 鉑 RTD溫度傳感器。這會(huì)產(chǎn)生 138.5Ω 的傳感器電阻。其自熱規(guī)格為 50mW/°C，在以 1m/秒的速度移動(dòng)的水中。

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

這導(dǎo)致自熱誤差僅為 (0.55mW)/(50mW/°C)=0.01°C。

需要注意的是，元件的有效自加熱在很大程度上取決于它浸入的介質(zhì)。

例如，RTD溫度傳感器在靜止空氣中的自熱能力是本規(guī)范適用的流動(dòng)水中的 100 倍。

因?yàn)槲覀兺ㄟ^(guò)吸收電流來(lái)測(cè)量 RTD溫度傳感器 的電阻，所以 RTD 溫度傳感器耗散的 I 2 R 功率會(huì)導(dǎo)致元件自熱。

自熱會(huì)改變RTD溫度傳感器電阻并增加測(cè)量誤差。

通過(guò)提供較低的勵(lì)磁電流，可以限度地減少自熱的負(fù)面影響。

一些儀器將使用低至 0.1mA 的 RTD溫度傳感器激勵(lì)電流來(lái)最小化此誤差。
在上面的例子中，這會(huì)將自熱減少到 ~0.001mW/50mW/°C=0.00003°C，即使在靜止的空氣中也是微不足道的。

該誤差的大小與傳感器元件的散熱能力成反比。這是其材料、結(jié)構(gòu)和環(huán)境的產(chǎn)物。

小型 RTD溫度傳感器元件將具有更高的自熱效應(yīng)，因?yàn)樗鼈兙哂休^小的散熱表面積。

也許最壞的情況是薄膜 RTD溫度傳感器，它通常具有高熱阻和相應(yīng)的很小的散熱表面積。

通常，在RTD 傳感器規(guī)范中提供了耗散常數(shù)。該數(shù)字與將 RTD 溫度升高 1 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 25 mW，則 RTD 將加熱 1 °C。

耗散常數(shù)通常在兩種條件下：自由空氣和充分?jǐn)嚢璧挠驮?。這是因?yàn)榻橘|(zhì)從設(shè)備帶走熱量的能力不同。

自熱溫升可從 RTD 耗散的功率和耗散常數(shù)通過(guò)以下公式得出：

ΔT = P/PD

其中 ΔT = 由于自熱引起的溫升，單位為°C；P = 電路中 RTD 中的功耗，單位為 W；PD = RTD 的耗散常數(shù)，單位為 W/°C。

概括 ：
ASTM 標(biāo)準(zhǔn)要求在 25 °C 水中施加 33 mW 時(shí)誤差為 1 °C，IEC 要求在施加工作電流時(shí)在 25 °C 水中誤差為 0.05 °C。

這些測(cè)試方法是很好的實(shí)驗(yàn)室比較方法 對(duì)于安裝在適當(dāng)浸入過(guò)程中的 PRT，工作電流為 1 mA 或更低，因此100 Ω PRT的功率 (I 2 R) 也很小 (0.02–0.39 mW)。

電阻在 500-1000 Ω 范圍內(nèi)的傳感器中，或者當(dāng)過(guò)程表現(xiàn)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)出現(xiàn)較大的誤差。

熱電動(dòng)勢(shì)或塞貝克或熱電效應(yīng)
也許您認(rèn)為塞貝克效應(yīng)僅適用于熱電偶？但與熱電偶類(lèi)似，鉑 RTD 也使用兩種不同的金屬制成——鉑 RTD 元件和引線的銅。

對(duì)于某些應(yīng)用，傳感器回路中的這些連接會(huì)產(chǎn)生賽貝克電壓，這些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，如果允許沿傳感元件產(chǎn)生溫度梯度，則鉑傳感器元件和銅引線之間的結(jié)點(diǎn)可能會(huì)產(chǎn)生大約 7uV/°C 的熱電電壓。

對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用，這個(gè)小的反電動(dòng)勢(shì)不會(huì)成為一個(gè)重要的誤差源，但會(huì)導(dǎo)致在低激勵(lì)電流下運(yùn)行的非常高精度的測(cè)量系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題（可能這樣做是為了限度地減少自熱誤差）——條件通常只在實(shí)驗(yàn)室測(cè)量。

RTD 的材料和結(jié)構(gòu)使其成為一個(gè)相對(duì)龐大的元件，這也使得難以使用 RTD 測(cè)量單個(gè)接觸點(diǎn)的溫度。

然而，RTD 提供了一種測(cè)量表面平均溫度的方法，它通過(guò)將電阻絲接觸分布在表面區(qū)域上來(lái)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。
但是，如果這種表面接觸也擴(kuò)展了一定距離，從而使元件每一端的引線連接錯(cuò)開(kāi)得太遠(yuǎn)，則這可能導(dǎo)致塞貝克誤差，這是兩者之間發(fā)生的熱梯度的副產(chǎn)品鉑銅連接到引線。

這些錯(cuò)誤可以通過(guò)使用適當(dāng)?shù)囊€和相對(duì)于引線仔細(xì)定位傳感器來(lái)防止。

簡(jiǎn)而言之，像銅這樣的不同鉛材料可以在它連接到鉑元素的地方產(chǎn)生一個(gè) T/C 結(jié)，然后在另一端產(chǎn)生另一個(gè) T/C 結(jié)。

如果兩個(gè)結(jié)點(diǎn)處于不同的溫度，則會(huì)產(chǎn)生熱電電動(dòng)勢(shì)，這會(huì)影響 RTD 元件的 IR 測(cè)量。

如果所有結(jié)都保持在均勻溫度，則由任意數(shù)量的不同材料組成的電路中熱電電動(dòng)勢(shì)的代數(shù)和為零。

因此，您只有兩種補(bǔ)救措施來(lái)對(duì)抗這種影響：要么使用與元件相同材料的引線（不實(shí)用，因?yàn)閷?duì)于具有長(zhǎng)引線的鉑元件而言，這將非常昂貴），或者只是將溫度保持在每個(gè)結(jié)相同（即沿元件）或幾乎相同，這將導(dǎo)致對(duì)電壓測(cè)量的凈電動(dòng)勢(shì)貢獻(xiàn)可以忽略不計(jì)。

概括 ：
熱電動(dòng)勢(shì)誤差也稱(chēng)為熱電偶效應(yīng)。該誤差是由各種導(dǎo)線成分、材料同質(zhì)性中的導(dǎo)線連接以及 PRT (RTD) 內(nèi)的溫度梯度引起的。

ASTM 和 IEC 標(biāo)準(zhǔn)提供了高感測(cè)電流的指南——盡管當(dāng)存在 EMF 影響時(shí)，它會(huì)在接近標(biāo)準(zhǔn)工作電流的較低電流下產(chǎn)生更大的影響。

該錯(cuò)誤主要發(fā)生在直流系統(tǒng)中。為了限度地減少熱 EMF 誤差，請(qǐng)選擇具有低 EMF的PRT。
此外，使用交流電路和適當(dāng)選擇的發(fā)射機(jī)可以消除電動(dòng)勢(shì)的影響。

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

快速時(shí)間常數(shù)有助于減少遇到溫度快速變化的測(cè)量系統(tǒng)中的誤差。

當(dāng)我們考慮 RTD 的構(gòu)造時(shí)，我們可以推斷響應(yīng)時(shí)間將強(qiáng)烈依賴(lài)于傳感器元件的質(zhì)量及其絕緣結(jié)構(gòu)，以及對(duì)被感測(cè)材料的傳熱能力。

這直接影響熱量從外部傳感表面?zhèn)鬟f到核心傳感元件的速率。

相比之下，因?yàn)?RTD 在更大的區(qū)域測(cè)量溫度，而不是像熱電偶那樣的小接觸點(diǎn)，并且因?yàn)?RTD 傳感元件必須絕緣，所以它的響應(yīng)時(shí)間比熱電偶慢得多。

同樣，與直接浸入流體中的相同傳感器相比，熱電偶套管中的 RTD 探頭反應(yīng)更慢。

內(nèi)部連接牢固的傳感器的響應(yīng)速度是同一組件中單個(gè)松散接口的傳感器的兩倍。

表面 RTD 將更快地響應(yīng)表面溫度變化。

給定傳感器的響應(yīng)時(shí)間通常定義為傳感器響應(yīng)接觸溫度的階躍變化達(dá)到其熱平衡狀態(tài)下最終值的 63% 所需的時(shí)間。

這些時(shí)間通常表示為在以 1 米/秒（3 英尺/秒）流動(dòng)的水和/或在以 3 米/秒（10 英尺/秒）流動(dòng)的空氣中測(cè)量的。

雖然不太常見(jiàn)，但有時(shí)響應(yīng)時(shí)間會(huì)指鉑 RTD 達(dá)到其最終值的 90%（而不是 63%）的時(shí)間間隔。

在比較傳感器類(lèi)型時(shí)，一定要注意這種區(qū)別。

概括 ：
如果 PRT (RTD) 不能足夠快地響應(yīng)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(yīng)相關(guān)的誤差。

在穩(wěn)態(tài)或接近穩(wěn)態(tài)操作期間，該誤差為零。ASTM 和 IEC 沒(méi)有定義此錯(cuò)誤，盡管有一種測(cè)試方法可以表征 PRT 的響應(yīng)時(shí)間以進(jìn)行比較。

當(dāng)監(jiān)測(cè)瞬態(tài)條件很重要時(shí)，可以通過(guò)選擇具有更快實(shí)驗(yàn)室測(cè)試響應(yīng)時(shí)間的傳感器并評(píng)估過(guò)程的相關(guān)變化率以匹配傳感器的時(shí)間響應(yīng)性能來(lái)最小化此錯(cuò)誤。

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