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          电阻温度检测器RTD的缺点、响应时间以及热电效应的总结

          来源: 作者: 发布日期:2020-11-19

           电阻温度检测器(RTD)是用于测量温度的传感器。许多RTD元件由包裹陶瓷或玻璃芯的细丝组成,但也可以使用其他结构。

           
          的RTD线是一个纯粹的材料,通常为铂,镍,或铜。
           
          该材料具有精确的电阻/温度关系,用于提供温度指示。由于RTD元件易碎,因此通常将它们放在保护性探头中。
          电阻温度检测器
          电阻温度检测器的主要缺点如下:
           
          自发热
          在施加电流以激发RTD元件以测量其信号时会产生热能。
           
          发生的自发热将导致温度测量错误。由于RTD会随温度变化而改变其电阻,因此测量RTD的非常实用方法是使电流流过RTD并测量产生的电压降。
           
          不幸的是,流经元件电阻的励磁电流试图通过热量耗散电能时会升高元件温度,从而给我们的温度测量增加了误差。
           
          对抗由自热驱动的正向变速的方法是增加与我们正在检测的材料的热接触,和/或减少激励电流。
           
          RTD传感器的自发热通常以mW /°C表示,这是指将内部元件温度提高1°C所需的功率。因此,该数字越高,自热将越低。
           
          例如,假设在100°C下使用2mA的励磁电流来驱动100Ω的铂RTD。这将产生138.5Ω的传感器电阻。在水中以1m /秒的速度移动时,其自热规格为50mW /°C。
           
          因此,通过该配置产生的热量为1000mW / W×I 2 * R = 1000×(0.002A)2  ×138.5Ω= 0.55mW。
           
          这导致仅(0.55mW)/(50mW /°C)= 0.01°C的自热误差。
           
          重要的是要注意,元件的有效自加热在很大程度上取决于元件所浸入的介质。
           
          例如,RTD可以在静止空气中自加热的热量比在应用此规范的移动水中的热量高100倍。
           
          因为我们通过吸收电流来测量RTD的电阻,所以RTD消耗的I 2 R功率会导致元件自发热。
           
          自热会改变RTD电阻并导致测量误差增加。
           
          通过提供较低的励磁电流可以将自发热的负面影响降到非常低。
           
          某些仪器将使用低至0.1mA的RTD励磁电流来非常小化此误差。
           
          在上面的示例中,即使在静止的空气中,这也会将自热降低到〜0.001mW / 50mW /°C = 0.00003°C,这是微不足道的数量。
           
          该误差的大小与传感器元件的散热能力成反比。这是它的材料,构造和环境的产物。
           
          小巧的RTD元件具有较小的散热面积,因此具有较高的自热效果。
           
          也许非常坏的情况是薄膜RTD,该薄膜RTD通常具有较高的热阻和相应的较小表面积以散热。
           
          通常,RTD传感器规格中提供了耗散常数。该数字与将RTD温度升高一度所需的功率有关。
           
          因此,25mW /°C的耗散常数表明,如果RTD中的I 2 R功率损耗等于25mW,则RTD将被加热1°C。
           
          耗散常数通常在两个条件下指定:自由空气和搅拌良好的油浴。这是因为介质将热量带离设备的能力不同。
           
          可以通过以下方法从RTD消耗的功率和耗散常数中找到自热温度升高:
           
          ΔT= P / PD
           
          其中ΔT=由于以℃为单位的自热而导致的温度上升;P = RTD在电路中从W消耗的功率;PD = RTD的耗散常数,单位为W /°C。
           
          总结:
          自热错误是由于RTD元件无法消散由通过测量电流施加的所需功率所产生的热量所致。
           
          ASTM标准要求在25°C的水中施加33 mW的误差非常大为1°C,IEC在施加非常大工作电流时在25°C的水中误差非常大为0.05°C。
           
          这些测试方法是实验室比较好的方法。对于在过程中正确浸入的PRT,工作电流为1 mA或更小,因此100ΩPRT的功率(I 2 R)也很小(0.02–0.39 mW)。
           
          电阻在500–1000Ω范围内的传感器可能会出现较大的误差,或者当过程显示出较差的传热条件(例如静止空气或低压气体)时,可能会发生较大的误差。
           
          热电动势或塞贝克或热电效应
          也许您认为塞贝克效应仅适用于热电偶?但是,与热电偶类似,铂RTD也是使用两种不同的金属制成的-铂RTD元素和引线的铜。
           
          对于某些应用,传感器回路中的这些连接会产生塞贝克电压,该电压可以抵消电阻元件中产生的IR压降并略微偏离读数。
           
          例如,如果允许沿着传感元件产生温度梯度,那么由于铂传感器元件与铜导线之间的结,会产生大约7uV /°C的热电电压。
           
          对于大多数应用而言,这种小的反电动势将不会成为重要的误差源,但会导致在以低激励电流运行的超高精度测量系统中出现问题(可能是为了非常大程度地减少自发热误差)-通常仅在以下情况下会遇到这种情况:实验室测量。
           
          RTD的材料和结构使其成为一个相对笨重的元素,这也使得使用RTD很难在单个接触点上测量温度。
           
          但是,RTD提供了一种测量表面平均温度的极佳方法,它通过在表面区域上分布电阻丝接触来实现。
           
          但是,如果这种表面接触也扩展了一段距离,从而使元件两端的导线连接距离太远,则可能导致塞贝克误差,这是两者之间发生热梯度的副产品。铂铜与导线的连接。
           
          这些错误可以通过使用适当的导线和相对于导线的仔细传感器位置来防止。
           
          简而言之,不同的引线材料(如铜)可以在其与铂元素相连的地方产生一个T / C结,然后在另一端形成另一个T / C结。
           
          如果两个结的温度不同,则将形成一个热电电动势,该热电动势会影响RTD元件的IR测量。
           
          如果所有结均保持在均匀的温度下,则由任意数量的不同材料组成的电路中的热电电动势的代数和为零。
           
          因此,您只有两种方法可以解决此问题:要么使用与元件相同材料的引线(不切实际,因为对于长引线的铂金来说这将非常昂贵),或者只是保持每个元件的温度不变连接相同的(即沿元件)或几乎相同的结,这对电压测量的净电动势贡献可忽略不计。
           
          总结:
          热电动势误差也称为热电偶效应。此错误是由各种导线组成,材料均质性中的导线连接以及PRT(RTD)中的温度梯度引起的。
           
          ASTM和IEC标准提供了有关高感测电流的指南-尽管存在EMF影响,但在接近标准工作电流的较低电流下会产生更大的影响。
           
          此错误主要发生在直流系统中。为了非常大程度地减小热电动势误差,请选择具有较低指定电动势的PRT。
           
          此外,使用交流电流的电路和适当地选择发射器可以消除EMF的影响。
           
          响应时间或时间响应
          RTD的时间常数是指其元件响应于接触温度变化而改变电阻的速度。
           
          快速的时间常数有助于减少遇到温度快速变化的测量系统中的误差。
           
          当我们考虑RTD的构造时,我们可以推断出响应时间将对传感器元件及其绝缘结构的质量以及对被感测材料的传热能力有很大的依赖性。
           
          这直接影响热量从外部传感表面传递到芯传感元件的速率。
           
          相比之下,由于RTD会在更大的区域而不是像热电偶那样小的接触点上测量温度,并且因为RTD传感元件必须绝缘,因此它的响应时间比热电偶慢得多。
           
          同样,与直接浸入液体中的相同传感器相比,热电偶套管中的RTD探针的反应会更慢。
           
          牢固结合的内部组件中的传感器的响应速度是同一组件中单个松散接口的响应速度的两倍。
           
          表面RTD将更快速地响应表面温度变化。
           
          给定传感器的响应时间通常定义为响应接触温度的阶跃变化,在热平衡时传感器达到其非常终值的63%所需的时间。
           
          这些时间通常表示为在以1m / sec(3英尺/秒)流动的水和/或以3m / sec(10英尺/秒)流动的空气中测量的时间。
           
          尽管不太常见,但有时响应时间将指铂RTD达到其非常终值的90%(而不是63%)的时间间隔。
           
          在比较传感器类型时,请务必注意这一区别。
           
          总结:
          如果PRT(RTD)无法足够快地响应温度变化,则在温度瞬变期间可能会产生与时间响应有关的错误。
           
          在稳态或接近稳态操作期间,该误差为零。尽管有一种测试方法可以描述PRT的响应时间以进行比较,但ASTM和IEC并未定义此错误。
           
          当监视瞬态条件很重要时,可以通过选择具有更快的实验室测试响应时间的传感器并评估与过程相关的变化率以非常匹配传感器的时间响应性能来非常大程度地减少此错误。

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