RTD 温度传感器应用,要留意哪些?

RTD(电阻温度探测器)是一种传感器,其阻值会随着温度的升高而变大,随着温度的降低而减小。

RTD 温度传感器应用,要留意哪些?

:one: 材料

不是所有的金属都适合做成RTD,符合这一特性的材料需要满足如下几个要求:

  1. 该金属的阻值与温度呈线性关系;
  2. 该金属对温度的变化比较敏感,即单位温度变化引起的阻值变化(温度系数)比较大;
  3. 该金属能够抵抗温度变化造成的疲劳,具有好的耐久性;

满足这些要求的金属材料不多,常见的RTD材料有:铂(Pt)、镍(Ni)和铜(Cu)
image
图 1 不同金属,阻值与温度关系,图片来源于TE ( TE RTD


:two: 阻值与温度的关系

:large_orange_diamond: 0℃时电阻

0℃时电阻,即0℃时RTD对应的阻值。结合材料与0℃时电阻,可分为Pt100、Pt200、Pt500和Pt1000等。比如:Pt100,表示该传感器在0℃下的电阻值为100Ω;而Pt1000,则表示该传感器在0℃下的电阻值为1000Ω 。

不同类型RTD对应温度范围


数据来源于ADI

Pt100 ,Pt1000该怎么选?

对于RTD阻值的测量,通常的做法是,给于RTD一个恒定的电流源,然后使用ADC来检测两端电压,从而得出该RTD阻值。也就是说,相同电流作用下,比起使用Pt100,使用Pt1000灵敏度将可以提高十倍,但同时ADC检测到的电压也会提高10倍。具体怎么选,我们还需要结合ADC等其他器件综合考量。

:large_orange_diamond: 温度系数α

RTD热电阻在不同温度下的阻值可以用公式:R= R0 (1+At)来近似计算。

1)R0表示RTD在0℃下的电阻值;

2)A 称为温度系数,表示单位温度下电阻的变化值;

3)t表示测量温度,单位为℃;

温度系数越大,代表传感器对温度越敏感。

对于Pt材料的RTD, 要达到更精确的电阻温度拟合,可以参考DIN EN 60751公式
image
当R0 = 100 Ω时:
A = 3.9083 × 10−3

B = −5.775 × 10−7

C = −4.183 × 10−12


:three: 工作温度范围与精度

一般原厂出厂,都会有校准温度(通常是0℃),随着温度的变化,离校准温度越远,公差变化越大。而精度是在某一温度范围内可以达到。我们在设计时,需要把这点考虑进去。

举例:TE 的 NB-PTCO-011

数据手册中给出,0.15%是在温度范围 -30℃到300℃内实现
image
图 2 精度对应温度范围 (来源于TE 数据手册 )


:four: RTD 接线配置

市场上有三种不同的RTD布线配置(二线制,三线制,四线制)。

对于三线制和四线制,可以有效消除引线上电阻对于测量的影响。原理是把测量回路和供电回路分开,测量回路中引线电流的小到忽略不计,从而有效消除引线上电阻对于测量的影响。

更多内容,请看下面帖子:

阻值太低,无法测量?来试试开尔文测试吧


:five: RTD 应用实例 - 比率测量

对于RTD, 比率配置是一种合适且经济高效的解决方案。我们使用四线制作为一个例子。

下图红色箭头方向是激励源的电流路径,分别流经传感器电阻和一个精密的参考电阻。然后分别测量传感器电阻和参考电阻两端的电压。这么做的好处是,激励源不需要很精确,给予传感器电阻和参考电阻一个相同的电流,然后比较这两电阻的电压值。
image

图 3 四线制RTD,比率测量 (图片来源于ADI)

直接选用支持比率测量的ADC,比如ADI AD7124, Σ-Δ ADC (Sigma-Delta),带有可编程增益放大器,激励源,可以大大简化RTD设计。

使用Σ-Δ ADC的另一个好处是,由于Σ-Δ ADC对模拟输入进行过采样,对于滤波器的设计大大简化,只需简单的单极RC滤波器即可。

国家电网也可能以50 Hz/60 Hz及其倍数的噪声产生干扰。一些ADC会自带滤波器。ADI的AD7124 自带滤波器选项,可以针对50 Hz/60 Hz频率滤波,但该滤波会对ADC输出数据速度产生影响。


最后, Digi-Key相关产品

Digi-Key电阻温度检测器 RTD
Digi-Key温度传感器专用ADC

ADI 的 RTD** **开发板
EVAL-AD7124-4SDZ
EVAL-AD7124-8SDZ