电阻温度传感器的缺点

电阻温度检测器( RTD ) 是用于测量温度的传感器。许多RTD温度传感器元件由一段缠绕在陶瓷或玻璃芯上的细线组成，但也使用其他结构。

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温度传感器元件易碎，它们通常安装在保护探头中。

以下是电阻温度探测器的主要缺点是：

自加热
在施加电流以激发 RTD温度传感器元件以测量其信号时会产生热能。

发生的自热会导致温度测量出现误差。由于RTD温度传感器会根据温度改变其电阻，因此最实用的测量方法是让电流通过它并测量由此产生的电压降。

不幸的是，这种通过元件电阻的激励电流会提高元件温度，因为它试图通过热量耗散这种电能，从而增加了我们的温度测量误差。

对抗由自热驱动的正向转变的方法是增加与我们正在感测的材料的热接触，和/或减少激励电流。

RTD 传感器的自热通常以 mW/°C 表示，它指的是将内部元件温度升高 1°C 所需的功率。因此，这个数字越高，自热就越低。

例如，假设在 100°C 下使用 2mA 的激励电流驱动 100Ω 铂 RTD温度传感器。这会产生 138.5Ω 的传感器电阻。其自热规格为 50mW/°C，在以 1m/秒的速度移动的水中。

因此，此配置产生的热量为 1000mW/W * I 2 *R = 1000 * (0.002A) 2 *138.5Ω = 0.55mW。

这导致自热误差仅为 (0.55mW)/(50mW/°C)=0.01°C。

需要注意的是，元件的有效自加热在很大程度上取决于它浸入的介质。

例如，RTD温度传感器在静止空气中的自热能力是本规范适用的流动水中的 100 倍。

因为我们通过吸收电流来测量 RTD温度传感器 的电阻，所以 RTD 温度传感器耗散的 I 2 R 功率会导致元件自热。

自热会改变RTD温度传感器电阻并增加测量误差。

通过提供较低的励磁电流，可以最大限度地减少自热的负面影响。

一些仪器将使用低至 0.1mA 的 RTD温度传感器激励电流来最小化此误差。
在上面的例子中，这会将自热减少到 ~0.001mW/50mW/°C=0.00003°C，即使在静止的空气中也是微不足道的。

该误差的大小与传感器元件的散热能力成反比。这是其材料、结构和环境的产物。

小型 RTD温度传感器元件将具有更高的自热效应，因为它们具有较小的散热表面积。

也许最坏的情况是薄膜 RTD温度传感器，它通常具有高热阻和相应的很小的散热表面积。

通常，在RTD 传感器规范中提供了耗散常数。该数字与将 RTD 温度升高 1 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 25 mW，则 RTD 将加热 1 °C。

耗散常数通常在两种条件下指定：自由空气和充分搅拌的油浴。这是因为介质从设备带走热量的能力不同。

自热温升可从 RTD 耗散的功率和耗散常数通过以下公式得出：

ΔT = P/PD

其中 ΔT = 由于自热引起的温升，单位为°C；P = 电路中 RTD 中的功耗，单位为 W；PD = RTD 的耗散常数，单位为 W/°C。

概括 ：
ASTM 标准要求在 25 °C 水中施加 33 mW 时最大误差为 1 °C，IEC 要求在施加最大工作电流时在 25 °C 水中最大误差为 0.05 °C。

这些测试方法是很好的实验室比较方法 对于安装在适当浸入过程中的 PRT，工作电流为 1 mA 或更低，因此100 Ω PRT的功率 (I 2 R) 也很小 (0.02–0.39 mW)。

电阻在 500-1000 Ω 范围内的传感器中，或者当过程表现出较差的传热条件（例如静止空气或低压气体）时，可能会出现较大的误差。

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？但与热电偶类似，铂 RTD 也使用两种不同的金属制成——铂 RTD 元件和引线的铜。

对于某些应用，传感器回路中的这些连接会产生赛贝克电压，这些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，如果允许沿传感元件产生温度梯度，则铂传感器元件和铜引线之间的结点可能会产生大约 7uV/°C 的热电电压。

对于大多数应用，这个小的反电动势不会成为一个重要的误差源，但会导致在低激励电流下运行的非常高精度的测量系统出现问题（可能这样做是为了最大限度地减少自热误差）——条件通常只在实验室测量。

RTD 的材料和结构使其成为一个相对庞大的元件，这也使得难以使用 RTD 测量单个接触点的温度。

然而，RTD 提供了一种测量表面平均温度的极好方法，它通过将电阻丝接触分布在表面区域上来实现这一点。
但是，如果这种表面接触也扩展了一定距离，从而使元件每一端的引线连接错开得太远，则这可能导致塞贝克误差，这是两者之间发生的热梯度的副产品铂铜连接到引线。

这些错误可以通过使用适当的引线和相对于引线仔细定位传感器来防止。

简而言之，像铜这样的不同铅材料可以在它连接到铂元素的地方产生一个 T/C 结，然后在另一端产生另一个 T/C 结。

如果两个结点处于不同的温度，则会产生热电电动势，这会影响 RTD 元件的 IR 测量。

如果所有结都保持在均匀温度，则由任意数量的不同材料组成的电路中热电电动势的代数和为零。

因此，您只有两种补救措施来对抗这种影响：要么使用与元件相同材料的引线（不实用，因为对于具有长引线的铂元件而言，这将非常昂贵），或者只是将温度保持在每个结相同（即沿元件）或几乎相同，这将导致对电压测量的净电动势贡献可以忽略不计。

概括 ：
热电动势误差也称为热电偶效应。该误差是由各种导线成分、材料同质性中的导线连接以及 PRT (RTD) 内的温度梯度引起的。

ASTM 和 IEC 标准提供了高感测电流的指南——尽管当存在 EMF 影响时，它会在接近标准工作电流的较低电流下产生更大的影响。

该错误主要发生在直流系统中。为了最大限度地减少热 EMF 误差，请选择具有低指定 EMF的PRT。
此外，使用交流电路和适当选择的发射机可以消除电动势的影响。

响应时间或时间响应
RTD 的时间常数是指其元件响应接触温度变化而改变电阻的速度。

快速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，我们可以推断响应时间将强烈依赖于传感器元件的质量及其绝缘结构，以及对被感测材料的传热能力。

这直接影响热量从外部传感表面传递到核心传感元件的速率。

相比之下，因为 RTD 在更大的区域测量温度，而不是像热电偶那样的小接触点，并且因为 RTD 传感元件必须绝缘，所以它的响应时间比热电偶慢得多。

同样，与直接浸入流体中的相同传感器相比，热电偶套管中的 RTD 探头反应更慢。

内部连接牢固的传感器的响应速度是同一组件中单个松散接口的传感器的两倍。

表面 RTD 将更快地响应表面温度变化。

给定传感器的响应时间通常定义为传感器响应接触温度的阶跃变化达到其热平衡状态下最终值的 63% 所需的时间。

这些时间通常表示为在以 1 米/秒（3 英尺/秒）流动的水和/或在以 3 米/秒（10 英尺/秒）流动的空气中测量的。

虽然不太常见，但有时响应时间会指铂 RTD 达到其最终值的 90%（而不是 63%）的时间间隔。

在比较传感器类型时，一定要注意这种区别。

概括 ：
如果 PRT (RTD) 不能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相关的误差。

在稳态或接近稳态操作期间，该误差为零。ASTM 和 IEC 没有定义此错误，尽管有一种测试方法可以表征 PRT 的响应时间以进行比较。

当监测瞬态条件很重要时，可以通过选择具有更快实验室测试响应时间的传感器并评估过程的相关变化率以最佳匹配传感器的时间响应性能来最小化此错误。

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