熱敏電阻與RTD的溫度測量精度比較及優(yōu)缺點

時間:2018-09-25 ??來源:敏創(chuàng)電子??編輯:熱敏電阻廠家??瀏覽:次

　　敏電阻和RTD是用于測量現(xiàn)代供暖，通風(fēng)，空調(diào)和制冷(HVAC / R)系統(tǒng)溫度的設(shè)備。兩種器件的電阻取決于它們的溫度。測量每個設(shè)備的電阻可以確定任一傳感器的環(huán)境溫度。每個設(shè)備都有權(quán)衡，讓我們看看它們是什么。

　　什么是RTD，它是如何定義的，它的理想精度是多少?

　　數(shù)百年來，已知金屬隨著溫度的升高而增加電阻。電阻溫度檢測器(RTD)是基于金屬的溫度傳感器，可利用這種電阻變化。RTD可以由許多不同的金屬制成(見表1)。

　　電阻溫度系數(shù)定義為RTD在100°C下的電阻減去0°C時的電阻除以100.然后將結(jié)果除以0°C時的電阻。電阻溫度系數(shù)是從0°C到100°C的平均電阻變化，從0°C到100°C的每個度數(shù)的實際變化非常接近但與之不相同。

　　對于給定的溫度變化，銅具有最大的線性電阻變化。銅的低電阻使得難以測量溫度的微小變化。隨著溫度變化，鎳的電阻變化很大。鎳不是一種非常穩(wěn)定的材料; 它的阻力因批次而異。雖然鎳比鉑便宜得多，但穩(wěn)定鎳所需的額外工藝使鎳傳感器比鉑更昂貴。

　　鉑金已成為精密測溫的事實標準。它具有相當(dāng)高的電阻，具有良好的溫度系數(shù)，不會與空氣中的大多數(shù)污染氣體發(fā)生反應(yīng)，并且在批次之間非常穩(wěn)定。

　　1871年，Werner von Siemens發(fā)明了鉑電阻溫度檢測器，并提出了三項插值公式。由于溫度讀數(shù)不穩(wěn)定，西門子的RTD迅速失寵。

　　Hugh Longbourne Callendar于1885年開發(fā)出第一個商業(yè)上成功的鉑RTD.Callendar發(fā)現(xiàn)西門子使用的絕緣體使鉑金脆化，導(dǎo)致內(nèi)部應(yīng)力，從而導(dǎo)致溫度不穩(wěn)定。Callendar更換了絕緣體材料，并在高于所需最高測量溫度的溫度下退火RTD。

　　1886年，Callendar撰寫了一篇論文，討論了他的RTD，并提出了一個三階方程，定義了RTD在0到550°C溫度范圍內(nèi)的電阻。1925年，國家標準局(現(xiàn)為NIST)的研究員Milton S. Van Dusen將該配方擴展到-200°C，同時研究制冷絕緣測試方法。

　　Callendar-Van Dusen方程已經(jīng)存在了100年，盡管它不是最適合鉑RTD的。Callendar和Van Dusen在現(xiàn)代數(shù)字計算機出現(xiàn)之前就完成了他們的工作。他們不能使用比三階方程更多的東西，因為他們必須手動求解方程。他們使用了一個相當(dāng)準確的方程式，可以在人的一生中解決。

　　1968年，國際電工委員會認識到Callendar-Van Dusen方程的缺點，定義了100歐姆鉑RTD的電阻與溫度曲線的20項多項式方程(對于1,000歐姆RTD，只需乘以10)。在Callendar和Van Dusen的一天，20個項多項式需要幾天時間來解決每個溫度點。數(shù)字計算機的到來使得解決這樣一個方程變得微不足道。

　　IEC 751是國際電工委員會的標準，它定義了100?，0.00385?/?/°C鉑RTD的溫度與電阻的關(guān)系。1,000?，0.00385?/?/°C鉑RTD定義為IEC 751規(guī)格的十倍。IEC 751定義了兩類RTD; A類和B類.A類RTD的工作溫度范圍為-200°C至650°C。B類RTD的工作溫度范圍為-200°C至850°C。B類RTD的A類RTD的不確定性大約是其兩倍。見圖1。

　　A類和B類RTD的不確定性方程是;

　　允許的不確定度 - A°C =±(0.15 + 0.002T)

　　允許的不確定度 - B°C =±(0.3 + 0.005T)

　　其中T =所需溫度，單位為攝氏度。

　　RTD傳遞函數(shù)可以在圖1的限制線之間的任何位置變化.RTD的傳遞函數(shù)不是完全線性的。仔細檢查電阻與溫度的關(guān)系表顯示，每100°C，溫度約為0.45°C。圖2顯示了1K?0.00385 RTD電阻與藍色線的溫度曲線，紅線表示理想的直線響應(yīng)。

　　圖1：RTD不確定性

　　圖2：顯示RTD電阻“弓形”的RTD傳遞函數(shù)

　　什么是熱敏電阻如何定義以及它的理想精度是多少?

　　熱敏電阻是一種隨溫度變化其電阻的電氣設(shè)備(熱敏電阻是熱敏電阻的縮寫)。電阻隨溫度的變化遵循經(jīng)典的對數(shù)曲線(見圖3)。

　　熱敏電阻由粉末金屬氧化物的混合物制成; 食譜是各種熱敏電阻制造商密切關(guān)注的秘密。粉末狀金屬氧化物充分混合并形成熱敏電阻制造過程所需的形狀。加熱形成的金屬氧化物直至金屬氧化物熔化并變成陶瓷。大多數(shù)熱敏電阻由切成單個傳感器的薄陶瓷片制成。熱敏電阻通過在其上放置引線并浸入環(huán)氧樹脂或封裝在玻璃中來完成。

　　Samuel Ruben于1930年發(fā)明了熱敏電阻.Ruben先生為Vega制造公司工作。Vega制作吉他，班卓琴和錄音機。Ruben先生正在研究電子唱機手寫筆拾音器時，他注意到他正在研究的拾音器配置具有相當(dāng)大的負溫度系數(shù)。

　　在過去的80年里，熱敏電阻已經(jīng)走過了漫長的道路。根據(jù)美國國家標準與技術(shù)研究院(NIST)的研究人員的說法，玻璃封裝的熱敏電阻比RTD更穩(wěn)定。無論是玻璃還是環(huán)氧樹脂涂層的熱敏電阻都可以在很大的溫度范圍內(nèi)保持±0.2°C。超精密(XP)熱敏電阻保持±0.1°C。

　　到20世紀60年代，熱敏電阻是主流傳感器。伍茲霍爾海洋研究所的兩位研究人員斯坦哈特??和哈特發(fā)表了一篇論文，定義了熱敏電阻的溫度與電阻公式。Steinhart-Hart方程已成為熱敏電阻的行業(yè)標準公式。

　　經(jīng)典的Steinhart和Hart方程具有以下形式：

　　1 / T = A0 + A1(lnR)+ A3(lnR)3

　　其中：T =開爾文的溫度(開爾文=攝氏+ 273.15)

　　A0，A1，A3 =源自熱敏電阻的常數(shù)測量

　　R =熱敏電阻的電阻，單位為歐姆

　　ln =自然對數(shù)(記錄到Napierian基地2.718281828 ...)

　　在實踐中，在三個限定的溫度下進行三次熱敏電阻器電阻測量。這些溫度通常是兩個端點和感興趣的溫度范圍的中心點。該等式直接擊中這三個點，并且在該范圍內(nèi)具有小的誤差。BAPI可以在0°C至70°C的溫度范圍內(nèi)提供Steinhart-Hart系數(shù)，其不確定度為0.01°C或更低。

　　熱敏電阻沒有行業(yè)或政府標準。在HVAC / R世界中，10K熱敏電阻至少有5種不同的溫度與電阻曲線。所有熱敏電阻在77°F或25°C時都具有10,000歐姆的電阻，但是當(dāng)您遠離77°F時，它們的變化很大。BAPI的10K-2和10K-3熱敏電阻在77°F時具有10,000歐姆的電阻。在32°F(0°C)時，10K-2熱敏電阻具有32,650歐姆的電阻和10K-3 29,490歐姆。如果用10K-3熱敏電阻代替10K-2，則在32°F時可能會產(chǎn)生6°F的測量誤差。

　　熱敏電阻的溫度變化非常大。區(qū)分一個程度和另一個程度相對容易。這種大的電阻變化將可以解決的溫度范圍限制為RTD可以解決的溫度范圍的一小部分。

　　RTD和熱敏電阻的精度和溫度范圍如何比較?

　　在熱敏電阻工作溫度范圍內(nèi)，熱敏電阻通常比B類RTD更精確，類似于A類RTD。

　　圖3：熱敏電阻和RTD的精度限制和可用溫度范圍

　　RTD和熱敏電阻還有其他應(yīng)用限制嗎?

　　用于將溫度傳感器連接到測量設(shè)備的接線增加了電阻和測量誤差。

　　通常使用18號銅線將傳感器連接到其測量設(shè)備。在20°C(43°F)溫度下，18線規(guī)電線每1000英尺電線的電阻為6.4歐姆。在140°F(70°C)時，18號線的每1000英尺電線有7.7歐姆。表2顯示了如果您希望在¼°F或更低溫度下保持接線錯誤，可以使用多少電線。

　　表2中的接線錯誤說明了溫度變送器與RTD一起使用的原因。只有發(fā)射器才允許合理的接線長度。變送器將RTD電阻更改為與RTD溫度成比例的4至20 mA電流信號。必須建立溫度范圍; 4 mA輸出對應(yīng)最低溫度，20 mA對應(yīng)最高溫度。任何中間溫度只是4 mA至20 mA的線性比例。發(fā)射器必須位于RTD位置的10英尺范圍內(nèi)。發(fā)射器距離測量設(shè)備最遠可達77,000英尺。