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電阻溫度檢測器RTD的缺點、響應時間以及熱電效應的總結

來源: 作者: 發布日期:2020-11-19

 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絲組成,但也可以使用其他結構。

 
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元件易碎,因此通常將它們放在保護性探頭中。
電阻溫度檢測器
電阻溫度檢測器的主要缺點如下:
 
自發熱
在施加電流以激發RTD元件以測量其信號時會產生熱能。
 
發生的自發熱將導致溫度測量錯誤。由于RTD會隨溫度變化而改變其電阻,因此測量RTD的非常實用方法是使電流流過RTD并測量產生的電壓降。
 
不幸的是,流經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傳感器的自發熱通常以mW /°C表示,這是指將內部元件溫度提高1°C所需的功率。因此,該數字越高,自熱將越低。
 
例如,假設在100°C下使用2mA的勵磁電流來驅動100Ω的鉑RTD。這將產生138.5Ω的傳感器電阻。在水中以1m /秒的速度移動時,其自熱規格為50mW /°C。
 
因此,通過該配置產生的熱量為1000mW / W×I 2 * R = 1000×(0.002A)2  ×138.5Ω= 0.55mW。
 
這導致僅(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。
 
例如,RTD可以在靜止空氣中自加熱的熱量比在應用此規范的移動水中的熱量高100倍。
 
因為我們通過吸收電流來測量RTD的電阻,所以RTD消耗的I 2 R功率會導致元件自發熱。
 
自熱會改變RTD電阻并導致測量誤差增加。
 
通過提供較低的勵磁電流可以將自發熱的負面影響降到非常低。
 
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,構造和環境的產物。
 
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的較小表面積以散熱。
 
通常,RTD傳感器規格中提供了耗散常數。該數字與將RTD溫度升高一度所需的功率有關。
 
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25mW,則RTD將被加熱1°C。
 
耗散常數通常在兩個條件下指定:自由空氣和攪拌良好的油浴。這是因為介質將熱量帶離設備的能力不同。
 
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,單位為W /°C。
 
總結:
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生的熱量所致。
 
ASTM標準要求在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。
 
這些測試方法是實驗室比較好的方法。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 2 R)也很小(0.02–0.39 mW)。
 
電阻在500–1000Ω范圍內的傳感器可能會出現較大的誤差,或者當過程顯示出較差的傳熱條件(例如靜止空氣或低壓氣體)時,可能會發生較大的誤差。
 
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。
 
對于某些應用,傳感器回路中的這些連接會產生塞貝克電壓,該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,如果允許沿著傳感元件產生溫度梯度,那么由于鉑傳感器元件與銅導線之間的結,會產生大約7uV /°C的熱電電壓。
 
對于大多數應用而言,這種小的反電動勢將不會成為重要的誤差源,但會導致在以低激勵電流運行的超高精度測量系統中出現問題(可能是為了非常大程度地減少自發熱誤差)-通常僅在以下情況下會遇到這種情況:實驗室測量。
 
RTD的材料和結構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,它通過在表面區域上分布電阻絲接觸來實現。
 
但是,如果這種表面接觸也擴展了一段距離,從而使元件兩端的導線連接距離太遠,則可能導致塞貝克誤差,這是兩者之間發生熱梯度的副產品。鉑銅與導線的連接。
 
這些錯誤可以通過使用適當的導線和相對于導線的仔細傳感器位置來防止。
 
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生一個T / C結,然后在另一端形成另一個T / C結。
 
如果兩個結的溫度不同,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。
 
如果所有結均保持在均勻的溫度下,則由任意數量的不同材料組成的電路中的熱電電動勢的代數和為零。
 
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(不切實際,因為對于長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,這對電壓測量的凈電動勢貢獻可忽略不計。
 
總結:
熱電動勢誤差也稱為熱電偶效應。此錯誤是由各種導線組成,材料均質性中的導線連接以及PRT(RTD)中的溫度梯度引起的。
 
ASTM和IEC標準提供了有關高感測電流的指南-盡管存在EMF影響,但在接近標準工作電流的較低電流下會產生更大的影響。
 
此錯誤主要發生在直流系統中。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地選擇發射器可以消除EMF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于接觸溫度變化而改變電阻的速度。
 
快速的時間常數有助于減少遇到溫度快速變化的測量系統中的誤差。
 
當我們考慮RTD的構造時,我們可以推斷出響應時間將對傳感器元件及其絕緣結構的質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傳遞到芯傳感元件的速率。
 
相比之下,由于RTD會在更大的區域而不是像熱電偶那樣小的接觸點上測量溫度,并且因為RTD傳感元件必須絕緣,因此它的響應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探針的反應會更慢。
 
牢固結合的內部組件中的傳感器的響應速度是同一組件中單個松散接口的響應速度的兩倍。
 
表面RTD將更快速地響應表面溫度變化。
 
給定傳感器的響應時間通常定義為響應接觸溫度的階躍變化,在熱平衡時傳感器達到其非常終值的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,但有時響應時間將指鉑RTD達到其非常終值的90%(而不是63%)的時間間隔。
 
在比較傳感器類型時,請務必注意這一區別。
 
總結:
如果PRT(RTD)無法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有關的錯誤。
 
在穩態或接近穩態操作期間,該誤差為零。盡管有一種測試方法可以描述PRT的響應時間以進行比較,但ASTM和IEC并未定義此錯誤。
 
當監視瞬態條件很重要時,可以通過選擇具有更快的實驗室測試響應時間的傳感器并評估與過程相關的變化率以非常匹配傳感器的時間響應性能來非常大程度地減少此錯誤。

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