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電阻元件與RTD的特性
電阻元件種類繁多，它們符合不同的標(biāo)準(zhǔn)，能夠在不同的溫度范圍中工作，具有各種規(guī)格和精度。然而，它們的工作方式都一樣：每個(gè)電阻元件都有預(yù)先規(guī)定的已知溫度下的電阻值，該電阻值的變化是可以預(yù)測(cè)的。這樣，通過(guò)測(cè)量元件的電阻，便可以通過(guò)表格、計(jì)算或者儀表確定元件的溫度。這些電阻元件是RTD（電阻式溫度檢測(cè)器）的核心。通常，裸露電阻元件過(guò)于脆弱和靈敏，無(wú)法以其原始形態(tài)使用，因此必須把電阻元件封裝到RTD內(nèi)加以保護(hù)。
電阻式溫度檢測(cè)器是一個(gè)通用術(shù)語(yǔ)，可表示通過(guò)測(cè)量材料電阻的變化來(lái)感知溫度的任何器件。RTD形式眾多，但通常都以帶護(hù)套的形式出現(xiàn)。RTD探頭是由電阻元件、護(hù)套、導(dǎo)線以及端子或連接件組成的組件。護(hù)套是一種一端封閉的管，它固定住元件，保護(hù)元件不受濕氣及待測(cè)環(huán)境的影響。護(hù)套還保護(hù)接自脆弱元件測(cè)溫線的過(guò)渡導(dǎo)線，并增強(qiáng)其穩(wěn)定性。
一些RTD探頭可與熱電偶套管組合使用，進(jìn)一步加強(qiáng)了保護(hù)。在這類應(yīng)用中，熱電偶套管不僅增強(qiáng)了RTD的保護(hù)，而且還使RTD要測(cè)量的任何系統(tǒng)（例如箱體或鍋爐）不會(huì)與RTD發(fā)生實(shí)際接觸。這為更換RTD提供了極da的方便，因?yàn)橛貌恢趴杖萜骰蛳到y(tǒng)。
熱電偶是一種久經(jīng)考驗(yàn)、行之有效的電子溫度測(cè)量方法。它們的工作方式與RTD大相徑庭，但通常具有相同的結(jié)構(gòu)：常常帶有護(hù)套并且還可能在熱電偶套管內(nèi)。
究其本質(zhì)，熱電偶利用了塞貝克效應(yīng)，該效應(yīng)使得由溫度變化導(dǎo)致的熱電電動(dòng)勢(shì)發(fā)生變化。許多應(yīng)用既適合使用RTD，也適合使用熱電偶。熱電偶往往更加結(jié)實(shí)、不存在自熱誤差，并且它們可以控制各種各樣的儀表。但是，RTD，尤其是鉑RTD則更加可靠、更加精que。
電阻元件的特征
下面是幾個(gè)極其重要的細(xì)節(jié)，必須詳細(xì)說(shuō)明才能正確認(rèn)識(shí)RTD的特征：
1. 電阻元件的材質(zhì)（鉑、鎳等）
2. 溫度系數(shù)
3. 標(biāo)稱電阻
4. 應(yīng)用溫度范圍
5. 外形尺寸或規(guī)格限制
6. 精度
1. 電阻元件的材質(zhì)
有幾種金屬經(jīng)常在電阻元件中使用，金屬的純度會(huì)影響電阻元件的特征。由于與溫度之間的線性關(guān)系，鉑是迄今為止wei常用的電阻元件金屬。其它常用材料有鎳和銅，但是大多數(shù)這些材料的電阻元件正在被鉑電阻元件所取代。使用的其它金屬（很少使用）有Balco（一種鐵鎳合金）、鎢和銥。
2. 溫度系數(shù)
元件的溫度系數(shù)是材料的物理和電氣特性。該術(shù)語(yǔ)描述在水的冰點(diǎn)與沸點(diǎn)溫度范圍內(nèi)每單位溫度的平均電阻值變化。不同組織采用不同的溫度系數(shù)作為其標(biāo)準(zhǔn)。1983年，IEC（電工委員會(huì)）采用了DIN（德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)會(huì)）的0?C時(shí)電阻為100歐姆的鉑為標(biāo)準(zhǔn)，其溫度系數(shù)為0.00385歐姆/歐姆/攝氏度。該溫度系數(shù)目前是大多數(shù)國(guó)家中認(rèn)可的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，但其它單位也在廣泛使用。下面對(duì)如何得出溫度系數(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)要說(shuō)明：沸點(diǎn)(100?C)時(shí)的電阻 = 138.50歐姆。冰點(diǎn)(0?C)時(shí)的電阻 = 100.00歐姆。將差值(38.5)除以100度，再除以元件的標(biāo)稱電阻100歐姆。結(jié)果就是平均溫度系數(shù)
（α）0.00385歐姆/歐姆/?C。
下面是一些不太常用的材料及溫度系數(shù)：
鉑熱電偶 | = | 0.003902 |
鉑熱電偶 | = | 0.003920 |
鉑熱電偶 | = | 0.003923 (SAMA) |
鉑熱電偶 | = | 0.003916 (JIS) |
銅熱電偶 | = | 0.0042 |
鎳熱電偶 | = | 0.00617 (DIN) |
鎳熱電偶 | = | 0.00672 |
Balco TC | = | 0.0052 |
鎢熱電偶 | = | 0.0045 |
請(qǐng)注意，溫度系數(shù)是0 ~ 100?C范圍內(nèi)的平均值。這并不是說(shuō)在規(guī)定溫度范圍內(nèi)電阻與溫度曲線*呈線性。
3. 標(biāo)稱電阻
標(biāo)稱電阻是預(yù)先規(guī)定的給定溫度下的電阻值。包括IEC-751在內(nèi)的大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)都使用0?C作為參考點(diǎn)。IEC標(biāo)準(zhǔn)是0?C時(shí)電阻值為100歐姆，但還可以提供其它標(biāo)稱電阻，如50、200、400、500、1000和2000歐姆。
4. 應(yīng)用溫度范圍
根據(jù)機(jī)械結(jié)構(gòu)與加工方法，RTD可以在-270 ~ 850?C范圍內(nèi)使用。例如，對(duì)于薄膜式、繞線式和玻璃封裝式RTD，溫度范圍規(guī)格將不所不同。
5. 外形尺寸或規(guī)格限制
元件重要的尺寸是外徑(O.D.)，這是因?yàn)樵ǔ１仨氀b入護(hù)套內(nèi)。薄膜式元件沒(méi)有外徑尺寸。若要計(jì)算等效尺寸，我們需要找到端截面的對(duì)角線。在元件插入護(hù)套的過(guò)程中，對(duì)角線將是元件上寬的距離。
可允許的基本值偏差
* | ||
溫度?C | 偏差 | |
歐姆 | ?C | |
-200 | ±0.24 | ±0.55 |
-100 | ±0.14 | ±0.35 |
0 | ±0.06 | ±0.15 |
100 | ±0.13 | ±0.35 |
200 | ±0.20 | ±0.55 |
300 | ±0.27 | ±0.75 |
400 | ±0.33 | ±0.95 |
500 | ±0.38 | ±1.15 |
600 | ±0.43 | ±1.35 |
650 | ±0.46 | ±1.45 |
B級(jí) | ||
溫度?C | 偏差 | |
歐姆 | ?C | |
-200 | ±0.56 | ±1.3 |
-100 | ±0.32 | ±0.8 |
0 | ±0.12 | ±0.3 |
100 | ±0.30 | ±0.8 |
200 | ±0.48 | ±1.3 |
300 | ±0.64 | ±1.8 |
400 | ±0.79 | ±2.3 |
500 | ±0.93 | ±2.8 |
600 | ±1.06 | ±3.3 |
650 | ±1.13 | ±3.6 |
700 | ±1.17 | ±3.8 |
800 | ±1.28 | ±4.3 |
例如，在使用尺寸為10 x 2 x 1.5 mm的元件時(shí)，可以通過(guò)計(jì)算(22 + 1.52)的平方根來(lái)獲得對(duì)角線長(zhǎng)度。因此，該元件可以裝入內(nèi)徑為2.5 mm (0.98")的孔中。一般來(lái)講，為了實(shí)用起見(jiàn)，請(qǐng)記住，任何寬度為2 mm或更小的元件都可以裝入外徑為1⁄8"、壁厚為0.010"的護(hù)套中。寬度為1.5 mm的元件通常可以裝入孔徑為0.084"的護(hù)套中。參見(jiàn)圖1。
6. 精度
IEC 751鉑電阻溫度計(jì)規(guī)格采用了DIN43760的精度要求。本頁(yè)表中顯示的是DIN-IEC *與B級(jí)元件。
7. 響應(yīng)時(shí)間
50%響應(yīng)是指溫度計(jì)元件要達(dá)到其穩(wěn)態(tài)值的50%所需的時(shí)間。90%響應(yīng)以類似方式定義。這些元件的響應(yīng)時(shí)間是在流速為0. 2 m/s的水中以及流速為1 m/s空氣中得到的。還可以計(jì)算在已知導(dǎo)熱系數(shù)值的任何其它介質(zhì)中的響應(yīng)時(shí)間。在浸入流速為3英尺/秒水中的直徑為1⁄4"的護(hù)套內(nèi)，達(dá)到溫度階躍變化的63%所需的響應(yīng)時(shí)間不到5.0秒。
8. 測(cè)量電流和自熱
溫度測(cè)量幾乎都使用直流電進(jìn)行。不可避免地是，測(cè)量電流會(huì)在RTD中產(chǎn)生熱量。可允許測(cè)量電流是通過(guò)元件位置、待測(cè)量介質(zhì)以及流動(dòng)介質(zhì)的速度確定的。自熱系數(shù)"S"給出了元件的測(cè)量誤差，單位為?C/毫瓦(mW)。給定測(cè)量電流I的值，毫瓦值P可以通過(guò)P = I2R計(jì)算，其中R是RTD的電阻值。然后，溫度測(cè)量誤差ΔT (?C)可以用
ΔT = P x S計(jì)算。
電阻元件規(guī)格
穩(wěn)定性：在gao溫度工作10,000小時(shí)后低于0.2?C（1年、51天、連續(xù)16小時(shí)）。
抗振性：頻率范圍為20 ~ 1000 cps。
抗熱沖擊系數(shù)：強(qiáng)制通風(fēng)：整個(gè)溫度范圍內(nèi)。水淬：從200?C降低到20?C。
壓力靈敏度：小于1.5 x 10-4 C/PSI，可逆。
自熱誤差與響應(yīng)時(shí)間：參閱所選類型元件特定的溫度網(wǎng)頁(yè)。
感應(yīng)電流自感量：對(duì)于薄膜式元件，可視為忽略不計(jì)；對(duì)于繞線式元件，通常小于0.02微亨利。
電容：對(duì)于繞線式元件：計(jì)算結(jié)果為不到6PF；對(duì)于薄膜式元件：電容太小而無(wú)法測(cè)量，并且電容受到導(dǎo)線連接的影響。導(dǎo)線與元件之間的連接表示大約300 pF的電容。
導(dǎo)線配置
如前所述，電阻式溫度檢測(cè)器(RTD)元件通常帶有護(hù)套。顯然，所有適用于電阻元件的標(biāo)準(zhǔn)在這里也適用，但必須考慮整個(gè)RTD組件的結(jié)構(gòu)和尺寸，而不是考慮元件尺寸。由于電阻元件與測(cè)量?jī)x器之間使用的導(dǎo)線自身帶有電阻，我們還必須提供一種補(bǔ)償方法，對(duì)這種誤差予以補(bǔ)償。參見(jiàn)圖2，了解兩線配置。
圖2.兩線配置（類型1）
圓形表示校準(zhǔn)范圍以內(nèi)的電阻元件。三線或四線配置必須從校準(zhǔn)范圍內(nèi)擴(kuò)展，使得所有未校準(zhǔn)的電阻得到補(bǔ)償。
電阻RE是電阻元件的電阻值，該電阻為我們提供精que的溫度測(cè)量值。遺憾的是，在進(jìn)行電阻測(cè)量時(shí)，儀器顯憾的是，在進(jìn)行電阻測(cè)量時(shí)，儀器顯
RTOTAL:
其中，
RT = R1 + R2 + RE
這樣，產(chǎn)生的溫度讀數(shù)將高于實(shí)際測(cè)量的溫度。可以對(duì)許多系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)，以便對(duì)此進(jìn)行補(bǔ)償。大多數(shù)RTD都包括第三條線，其電阻為R3。這條線將與導(dǎo)線2一起連接到電阻元件的一側(cè)，如圖3中所示。
這種配置在傳感器的一端提供一個(gè)連接，在其另一端提供兩個(gè)連接。與專門接受三線制輸入的儀表連接后，便可以對(duì)導(dǎo)線電阻以及導(dǎo)線電阻引起的溫度變化進(jìn)行補(bǔ)償。這是用的一種配置。
圖3.三線配置（類型2）
如果使用了三條相同類型的線并且它們的長(zhǎng)度相等，則R1 = R2 = R3。通過(guò)測(cè)量通過(guò)導(dǎo)線1、2與電阻元件的電阻，可以測(cè)得系統(tǒng)總電阻(R1 + R2 +RE)。如果還測(cè)量了導(dǎo)線2與3的電阻(R2 + R3)，可以得到僅導(dǎo)線的電阻，并且由于所有導(dǎo)線電阻都相等，從系統(tǒng)總電阻(R1 + R2 + RE)中減去此值(R2 + R3)，我們就可以僅得到RE，因此進(jìn)行的溫度測(cè)量是精que的。還會(huì)使用四線配置。（參見(jiàn)圖4。）傳感器的每一端都提供了兩個(gè)連接。這種配置用于精度gao的測(cè)量。
圖4. 四線配置（類型3）
在四線配置中，儀表將使一個(gè)恒定電流(I)通過(guò)外側(cè)導(dǎo)線1和4。
測(cè)量了內(nèi)側(cè)導(dǎo)線2和3之間的壓降。因而，通過(guò)公式V = IR，我們可以得到元件自身的電阻，而不受到導(dǎo)線電阻的影響。僅當(dāng)使用不同導(dǎo)線時(shí)，這種配置才比三線配置有優(yōu)勢(shì)，然而這種情況很少見(jiàn)。
還有一種現(xiàn)在很罕見(jiàn)的配置，即在一側(cè)帶有導(dǎo)線閉環(huán)回路的標(biāo)準(zhǔn)兩線配置（圖5）。其功能與三線配置相同，但使用了額外一條線才實(shí)現(xiàn)了此功能。單獨(dú)的一對(duì)線作為回路提供，以便對(duì)導(dǎo)線電阻以及導(dǎo)線電阻引起的溫度變化提供補(bǔ)償。
圖5.帶回路的兩線配置（類型4）
