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電阻溫度檢測器RTD的缺點(diǎn)、響應(yīng)時間以及熱電效應(yīng)的總結(jié)

來源:上海自動化儀表作者:上海自動化儀表網(wǎng)址:http://mphtx.cn

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(xì)絲組成,但也可以使用其他結(jié)構(gòu)。


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(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(hù)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會產(chǎn)生熱能。


發(fā)生的自發(fā)熱將導(dǎo)致溫度測量錯誤。由于RTD會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熱量耗散電能時會升高元件溫度,從而給我們的溫度測量增加了誤差。


對抗由自熱驅(qū)動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(nèi)部元件溫度提高1°C所需的功率。因此,該數(shù)字越高,自熱將越低。


例如,假設(shè)在100°C下使用2mA的勵磁電流來驅(qū)動100Ω的鉑RTD。這將產(chǎn)生138.5Ω的傳感器電阻。在水中以1m /秒的速度移動時,其自熱規(guī)格為50mW /°C。


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


這導(dǎo)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(yīng)用此規(guī)范的移動水中的熱量高100倍。


因?yàn)槲覀兺ㄟ^吸收電流來測量RTD的電阻,所以RTD消耗的I 2 R功率會導(dǎo)致元件自發(fā)熱。


自熱會改變RTD電阻并導(dǎo)致測量誤差增加。


通過提供較低的勵磁電流可以將自發(fā)熱的負(fù)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,這也會將自熱降低到?0.001mW / 50mW /°C = 0.00003°C,這是微不足道的數(shù)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(gòu)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(yīng)的較小表面積以散熱。


通常,RTD傳感器規(guī)格中提供了耗散常數(shù)。該數(shù)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(shù)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(shù)通常在兩個條件下指定:自由空氣和攪拌良好的油浴。這是因?yàn)榻橘|(zhì)將熱量帶離設(shè)備的能力不同。


可以通過以下方法從RTD消耗的功率和耗散常數(shù)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(dǎo)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(shù),單位為W/°C。


總結(jié):

自熱錯誤是由于RTD元件無法消散由通過測量電流施加的所需功率所產(chǎn)生的熱量所致。


ASTM標(biāo)準(zhǔn)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(yàn)室比較好的方法。對于在過程中正確浸入的PRT,工作電流為1 mA或更小,因此100ΩPRT的功率(I 2R)也很小(0.02–0.39 mW)。


電阻在500–1000Ω范圍內(nèi)的傳感器可能會出現(xiàn)較大的誤差,或者當(dāng)過程顯示出較差的傳熱條件(例如靜止空氣或低壓氣體)時,可能會發(fā)生較大的誤差。


熱電動勢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?但是,與熱電偶類似,鉑RTD也是使用兩種不同的金屬制成的-鉑RTD元素和引線的銅。


對于某些應(yīng)用,傳感器回路中的這些連接會產(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(shù)。


例如,如果允許沿著傳感元件產(chǎn)生溫度梯度,那么由于鉑傳感器元件與銅導(dǎo)線之間的結(jié),會產(chǎn)生大約7uV /°C的熱電電壓。


對于大多數(shù)應(yīng)用而言,這種小的反電動勢將不會成為重要的誤差源,但會導(dǎo)致在以低激勵電流運(yùn)行的超高精度測量系統(tǒng)中出現(xiàn)問題(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遇到這種情況:實(shí)驗(yàn)室測量。


RTD的材料和結(jié)構(gòu)使其成為一個相對笨重的元素,這也使得使用RTD很難在單個接觸點(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,它通過在表面區(qū)域上分布電阻絲接觸來實(shí)現(xiàn)。


但是,如果這種表面接觸也擴(kuò)展了一段距離,從而使元件兩端的導(dǎo)線連接距離太遠(yuǎn),則可能導(dǎo)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(dǎo)線的連接。


這些錯誤可以通過使用適當(dāng)?shù)膶?dǎo)線和相對于導(dǎo)線的仔細(xì)傳感器位置來防止。


簡而言之,不同的引線材料(如銅)可以在其與鉑元素相連的地方產(chǎn)生一個T / C結(jié),然后在另一端形成另一個T / C結(jié)。


如果兩個結(jié)的溫度不同,則將形成一個熱電電動勢,該熱電動勢會影響RTD元件的IR測量。


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


因此,您只有兩種方法可以解決此問題:要么使用與元件相同材料的引線(不切實(shí)際,因?yàn)閷τ陂L引線的鉑金來說這將非常昂貴),或者只是保持每個元件的溫度不變連接相同的(即沿元件)或幾乎相同的結(jié),這對電壓測量的凈電動勢貢獻(xiàn)可忽略不計(jì)。


總結(jié):

熱電動勢誤差也稱為熱電偶效應(yīng)。此錯誤是由各種導(dǎo)線組成,材料均質(zhì)性中的導(dǎo)線連接以及PRT(RTD)中的溫度梯度引起的。


ASTM和IEC標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)工作電流的較低電流下會產(chǎn)生更大的影響。


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


此外,使用交流電流的電路和適當(dāng)?shù)剡x擇發(fā)射器可以消除EMF的影響。


響應(yīng)時間或時間響應(yīng)


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


快速的時間常數(shù)有助于減少遇到溫度快速變化的測量系統(tǒng)中的誤差。


當(dāng)我們考慮RTD的構(gòu)造時,我們可以推斷出響應(yīng)時間將對傳感器元件及其絕緣結(jié)構(gòu)的質(zhì)量以及對被感測材料的傳熱能力有很大的依賴性。


這直接影響熱量從外部傳感表面?zhèn)鬟f到芯傳感元件的速率。


相比之下,由于RTD會在更大的區(qū)域而不是像熱電偶那樣小的接觸點(diǎn)上測量溫度,并且因?yàn)镽TD傳感元件必須絕緣,因此它的響應(yīng)時間比熱電偶慢得多。


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(yīng)會更慢。


牢固結(jié)合的內(nèi)部組件中的傳感器的響應(yīng)速度是同一組件中單個松散接口的響應(yīng)速度的兩倍。


表面RTD將更快速地響應(yīng)表面溫度變化。


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


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


盡管不太常見,但有時響應(yīng)時間將指鉑RTD達(dá)到其非常終值的90%(而不是63%)的時間間隔。


在比較傳感器類型時,請務(wù)必注意這一區(qū)別。


總結(jié):

如果PRT(RTD)無法足夠快地響應(yīng)溫度變化,則在溫度瞬變期間可能會產(chǎn)生與時間響應(yīng)有關(guān)的錯誤。


在穩(wěn)態(tài)或接近穩(wěn)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(yīng)時間以進(jìn)行比較,但ASTM和IEC并未定義此錯誤。


當(dāng)監(jiān)視瞬態(tài)條件很重要時,可以通過選擇具有更快的實(shí)驗(yàn)室測試響應(yīng)時間的傳感器并評估與過程相關(guān)的變化率以非常匹配傳感器的時間響應(yīng)性能來非常大程度地減少此錯誤。