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閱讀：0發(fā)布時間：2025-1-27
電阻溫度傳感器的缺點
電阻溫度檢測器( RTD ) 是用于測量溫度的傳感器。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線組成，但也使用其他結構。
的RTD線是一個純粹的材料，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探頭中。
以下是電阻溫度探測器的主要缺點是：
自加熱
在施加電流以激發(fā) RTD溫度傳感器元件以測量其信號時會產生熱能。
發(fā)生的自熱會導致溫度測量出現(xiàn)誤差。由于RTD溫度傳感器會根據溫度改變其電阻，因此的測量方法是讓電流通過它并測量由此產生的電壓降。
不幸的是，這種通過元件電阻的激勵電流會提高元件溫度，因為它試圖通過熱量耗散這種電能，從而增加了我們的溫度測量誤差。
對抗由自熱驅動的正向轉變的方法是增加與我們正在感測的材料的熱接觸，和/或減少激勵電流。
RTD 傳感器的自熱通常以 mW/°C 表示，它指的是將內部元件溫度升高 1°C 所需的功率。因此，這個數字越高，自熱就越低。
例如，假設在 100°C 下使用 2mA 的激勵電流驅動 100Ω 鉑 RTD溫度傳感器。這會產生 138.5Ω 的傳感器電阻。其自熱規(guī)格為 50mW/°C，在以 1m/秒的速度移動的水中。
因此，此配置產生的熱量為 1000mW/W * I 2 *R = 1000 * (0.002A) 2 *138.5Ω = 0.55mW。
這導致自熱誤差僅為 (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。
例如，RTD溫度傳感器在靜止空氣中的自熱能力是本規(guī)范適用的流動水中的 100 倍。
因為我們通過吸收電流來測量 RTD溫度傳感器 的電阻，所以 RTD 溫度傳感器耗散的 I 2 R 功率會導致元件自熱。
自熱會改變RTD溫度傳感器電阻并增加測量誤差。
通過提供較低的勵磁電流，可以限度地減少自熱的負面影響。
一些儀器將使用低至 0.1mA 的 RTD溫度傳感器激勵電流來最小化此誤差。
在上面的例子中，這會將自熱減少到 ~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、結構和環(huán)境的產物。
小型 RTD溫度傳感器元件將具有更高的自熱效應，因為它們具有較小的散熱表面積。
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。該數字與將 RTD 溫度升高 1 度所需的功率有關。
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 25 mW，則 RTD 將加熱 1 °C。
耗散常數通常在兩種條件下：自由空氣和充分攪拌的油浴。這是因為介質從設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通過以下公式得出：
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，單位為 W/°C。
概括 ：
ASTM 標準要求在 25 °C 水中施加 33 mW 時誤差為 1 °C，IEC 要求在施加工作電流時在 25 °C 水中誤差為 0.05 °C。
這些測試方法是很好的實驗室比較方法 對于安裝在適當浸入過程中的 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 范圍內的傳感器中，或者當過程表現(xiàn)出較差的傳熱條件（例如靜止空氣或低壓氣體）時，可能會出現(xiàn)較大的誤差。
熱電動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？但與熱電偶類似，鉑 RTD 也使用兩種不同的金屬制成——鉑 RTD 元件和引線的銅。
對于某些應用，傳感器回路中的這些連接會產生賽貝克電壓，這些電壓可以抵消電阻元件中產生的 IR 壓降并略微偏離讀數。
例如，如果允許沿傳感元件產生溫度梯度，則鉑傳感器元件和銅引線之間的結點可能會產生大約 7uV/°C 的熱電電壓。
對于大多數應用，這個小的反電動勢不會成為一個重要的誤差源，但會導致在低激勵電流下運行的非常高精度的測量系統(tǒng)出現(xiàn)問題（可能這樣做是為了限度地減少自熱誤差）——條件通常只在實驗室測量。
RTD 的材料和結構使其成為一個相對龐大的元件，這也使得難以使用 RTD 測量單個接觸點的溫度。
然而，RTD 提供了一種測量表面平均溫度的方法，它通過將電阻絲接觸分布在表面區(qū)域上來實現(xiàn)這一點。
但是，如果這種表面接觸也擴展了一定距離，從而使元件每一端的引線連接錯開得太遠，則這可能導致塞貝克誤差，這是兩者之間發(fā)生的熱梯度的副產品鉑銅連接到引線。
這些錯誤可以通過使用適當的引線和相對于引線仔細定位傳感器來防止。
簡而言之，像銅這樣的不同鉛材料可以在它連接到鉑元素的地方產生一個 T/C 結，然后在另一端產生另一個 T/C 結。
如果兩個結點處于不同的溫度，則會產生熱電電動勢，這會影響 RTD 元件的 IR 測量。
如果所有結都保持在均勻溫度，則由任意數量的不同材料組成的電路中熱電電動勢的代數和為零。
因此，您只有兩種補救措施來對抗這種影響：要么使用與元件相同材料的引線（不實用，因為對于具有長引線的鉑元件而言，這將非常昂貴），或者只是將溫度保持在每個結相同（即沿元件）或幾乎相同，這將導致對電壓測量的凈電動勢貢獻可以忽略不計。
概括 ：
熱電動勢誤差也稱為熱電偶效應。該誤差是由各種導線成分、材料同質性中的導線連接以及 PRT (RTD) 內的溫度梯度引起的。
ASTM 和 IEC 標準提供了高感測電流的指南——盡管當存在 EMF 影響時，它會在接近標準工作電流的較低電流下產生更大的影響。
該錯誤主要發(fā)生在直流系統(tǒng)中。為了限度地減少熱 EMF 誤差，請選擇具有低 EMF的PRT。
此外，使用交流電路和適當選擇的發(fā)射機可以消除電動勢的影響。
響應時間或時間響應
RTD 的時間常數是指其元件響應接觸溫度變化而改變電阻的速度。
快速時間常數有助于減少遇到溫度快速變化的測量系統(tǒng)中的誤差。
當我們考慮 RTD 的構造時，我們可以推斷響應時間將強烈依賴于傳感器元件的質量及其絕緣結構，以及對被感測材料的傳熱能力。
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，因為 RTD 在更大的區(qū)域測量溫度，而不是像熱電偶那樣的小接觸點，并且因為 RTD 傳感元件必須絕緣，所以它的響應時間比熱電偶慢得多。
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 探頭反應更慢。
內部連接牢固的傳感器的響應速度是同一組件中單個松散接口的傳感器的兩倍。
表面 RTD 將更快地響應表面溫度變化。
給定傳感器的響應時間通常定義為傳感器響應接觸溫度的階躍變化達到其熱平衡狀態(tài)下最終值的 63% 所需的時間。
這些時間通常表示為在以 1 米/秒（3 英尺/秒）流動的水和/或在以 3 米/秒（10 英尺/秒）流動的空氣中測量的。
雖然不太常見，但有時響應時間會指鉑 RTD 達到其最終值的 90%（而不是 63%）的時間間隔。
在比較傳感器類型時，一定要注意這種區(qū)別。
概括 ：
如果 PRT (RTD) 不能足夠快地響應溫度變化，則在溫度瞬變期間可能會產生與時間響應相關的誤差。
在穩(wěn)態(tài)或接近穩(wěn)態(tài)操作期間，該誤差為零。ASTM 和 IEC 沒有定義此錯誤，盡管有一種測試方法可以表征 PRT 的響應時間以進行比較。
當監(jiān)測瞬態(tài)條件很重要時，可以通過選擇具有更快實驗室測試響應時間的傳感器并評估過程的相關變化率以匹配傳感器的時間響應性能來最小化此錯誤。
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