RTD電阻溫度偵檢器應用選型中的注意事項

RTD(電阻溫度偵檢器)是一種感測器,其電阻值會隨著溫度的升高而變大,隨著溫度的降低而減小。

:one: 材料
不是所有的金屬都適合做成RTD,符合這一特性的材料需要滿足如下幾個要求:

  1. 該金屬的電阻值與溫度呈線性關係;
  2. 該金屬對溫度的變化比較敏感,即單位溫度變化引起的電阻值變化(溫度係數)比較大;
  3. 該金屬能夠抵抗溫度變化造成的疲勞,具有好的耐久性;

:large_orange_diamond: 溫度係數α

滿足這些要求的金屬材料不多,常見的RTD材料有:鉑(Pt)、鎳(Ni)和銅(Cu)等。

image
1 不同金屬,電阻值與溫度關係, 圖片來源於 TE

:two: 電阻值與溫度的關係
一般來說,RTD電阻值與溫度成線性關係。這裡需要關注兩個參數:0℃時電阻以及溫度係數α。
:large_orange_diamond: 0℃ 時電阻

0℃時電阻,即0℃時RTD對應的電阻值。結合材料與0℃時電阻,可分為Pt100、Pt200、Pt500和Pt1000等。比如:Pt100,表示該感測器在0℃下的電阻值為100Ω;而Pt1000,則表示該感測器在0℃下的電阻值為1000Ω。

不同類型RTD對應溫度範圍,如下表所示:


(資料來源:ADI)

對於RTD電阻值的測量,通常的做法是給於RTD一個恆定的電流源,然後使用ADC來檢測兩端電壓,進而得出該RTD電阻值。也就是說,相同電流作用下,比起使用Pt100,使用Pt1000靈敏度將可以提高十倍,但同時ADC檢測到的電壓也會提高10倍。具體怎麼選,我們還需要結合ADC等其他元件綜合考量。

RTD熱電阻在不同溫度下的電阻值可以用公式:R= R0 (1+At)來近似計算。其中:

  1. R0表示RTD在0℃下的電阻值;
  2. A稱為溫度係數,表示單位溫度下電阻的變化值;
  3. t表示測量溫度,單位為℃;

溫度係數越大,代表感測器對溫度越敏感。

對於Pt材料的RTD,要達到更精確的電阻溫度擬合,可以參考DIN EN 60751公式:

當R0 = 100 Ω時:

A = 3.9083 × 10−3

B = −5.775 × 10−7

C = −4.183 × 10−12

:three: 工作溫度範圍與精度**

一般原廠產品出廠,都會有校準溫度(通常是0℃),隨著溫度的變化,離校準溫度越遠,公差變化越大。而精度是在某一溫度範圍內可以達到。我們在設計時,需要把這點考慮進去。

我們以TE NB-PTCO-011為例來說明:規格書中給出,0.15%是在溫度範圍-30℃到300℃內實現的。


2 :精度對應溫度範圍(資料來源: TE 數據手冊)

:four: RTD 接線配置

市場上有三種不同的RTD佈線配置(二線制、三線制、四線制)。

對於三線制和四線制,可以有效消除接線上電阻對於測量的影響。其原理是把測量迴路和供電迴路分開,測量迴路中接線電流的小到忽略不計,進而有效消除接線上電阻對於測量的影響。

更多內容,請看下面文章:如何檢測低阻值電阻? 試試開爾文四線檢測

:five: RTD 應用實例:比率測量

對於RTD,比率配置是一種合適且經濟高效率的解決方案。我們使用四線制RTD做為一個例子進行說明。

下圖紅色箭頭方向是激勵源的電流路徑,分別流經感測器電阻和一個精密的參考電阻。然後分別測量感測器電阻和參考電阻兩端的電壓。這麼做的好處是,激勵源不需要很精確,給予感測器電阻和參考電阻一個相同的電流,然後比較這兩電阻的電壓值。

image
3 :四線制 RTD 比率測量(圖片來源: ADI

直接選用支援比率測量的ADC,比如ADI AD7124,是一個Σ-Δ ADC(Sigma-Delta),帶有可程式設定的增益放大器、激勵源,可以大大簡化RTD設計。

使用Σ-Δ ADC的另一個好處是,由於Σ-Δ ADC對類比輸入進行過取樣,使得濾波器的設計大大簡化,只需簡單的單極RC濾波器即可。

國家電網也可能產生50Hz/60Hz及其倍數頻率的雜訊干擾。一些ADC會自帶濾波器,比如ADI AD7124自帶濾波器選項,可以針對50 Hz/60 Hz頻率濾波,但該濾波會對ADC輸出資料速度產生影響。

最後,Digi-Key 相關產品
Digi-Key 電阻溫度偵檢器 RTD
Digi-Key 溫度感測器專用 ADC

ADI的RTD評估板:
EVAL-AD7124-4SDZ
EVAL-AD7124-8SDZ