热敏电阻与RTD的温度测量精度比较及优缺点

时间:2018-09-25 来源:敏创电子编辑:热敏电阻厂家浏览:次

　　敏电阻和RTD是用于测量现代供暖，通风，空调和制冷(HVAC / R)系统温度的设备。两种器件的电阻取决于它们的温度。测量每个设备的电阻可以确定任一传感器的环境温度。每个设备都有权衡，让我们看看它们是什么。

　　什么是RTD，它是如何定义的，它的理想精度是多少?

　　数百年来，已知金属随着温度的升高而增加电阻。电阻温度检测器(RTD)是基于金属的温度传感器，可利用这种电阻变化。RTD可以由许多不同的金属制成(见表1)。

　　电阻温度系数定义为RTD在100°C下的电阻减去0°C时的电阻除以100.然后将结果除以0°C时的电阻。电阻温度系数是从0°C到100°C的平均电阻变化，从0°C到100°C的每个度数的实际变化非常接近但与之不相同。

　　对于给定的温度变化，铜具有最大的线性电阻变化。铜的低电阻使得难以测量温度的微小变化。随着温度变化，镍的电阻变化很大。镍不是一种非常稳定的材料; 它的阻力因批次而异。虽然镍比铂便宜得多，但稳定镍所需的额外工艺使镍传感器比铂更昂贵。

　　铂金已成为精密测温的事实标准。它具有相当高的电阻，具有良好的温度系数，不会与空气中的大多数污染气体发生反应，并且在批次之间非常稳定。

　　1871年，Werner von Siemens发明了铂电阻温度检测器，并提出了三项插值公式。由于温度读数不稳定，西门子的RTD迅速失宠。

　　Hugh Longbourne Callendar于1885年开发出第一个商业上成功的铂RTD.Callendar发现西门子使用的绝缘体使铂金脆化，导致内部应力，从而导致温度不稳定。Callendar更换了绝缘体材料，并在高于所需最高测量温度的温度下退火RTD。

　　1886年，Callendar撰写了一篇论文，讨论了他的RTD，并提出了一个三阶方程，定义了RTD在0到550°C温度范围内的电阻。1925年，国家标准局(现为NIST)的研究员Milton S. Van Dusen将该配方扩展到-200°C，同时研究制冷绝缘测试方法。

　　Callendar-Van Dusen方程已经存在了100年，尽管它不是最适合铂RTD的。Callendar和Van Dusen在现代数字计算机出现之前就完成了他们的工作。他们不能使用比三阶方程更多的东西，因为他们必须手动求解方程。他们使用了一个相当准确的方程式，可以在人的一生中解决。

　　1968年，国际电工委员会认识到Callendar-Van Dusen方程的缺点，定义了100欧姆铂RTD的电阻与温度曲线的20项多项式方程(对于1,000欧姆RTD，只需乘以10)。在Callendar和Van Dusen的一天，20个项多项式需要几天时间来解决每个温度点。数字计算机的到来使得解决这样一个方程变得微不足道。

　　IEC 751是国际电工委员会的标准，它定义了100?，0.00385?/?/°C铂RTD的温度与电阻的关系。1,000?，0.00385?/?/°C铂RTD定义为IEC 751规格的十倍。IEC 751定义了两类RTD; A类和B类.A类RTD的工作温度范围为-200°C至650°C。B类RTD的工作温度范围为-200°C至850°C。B类RTD的A类RTD的不确定性大约是其两倍。见图1。

　　A类和B类RTD的不确定性方程是;

　　允许的不确定度 - A°C =±(0.15 + 0.002T)

　　允许的不确定度 - B°C =±(0.3 + 0.005T)

　　其中T =所需温度，单位为摄氏度。

　　RTD传递函数可以在图1的限制线之间的任何位置变化.RTD的传递函数不是完全线性的。仔细检查电阻与温度的关系表显示，每100°C，温度约为0.45°C。图2显示了1K?0.00385 RTD电阻与蓝色线的温度曲线，红线表示理想的直线响应。

　　图1：RTD不确定性

　　图2：显示RTD电阻“弓形”的RTD传递函数

　　什么是热敏电阻如何定义以及它的理想精度是多少?

　　热敏电阻是一种随温度变化其电阻的电气设备(热敏电阻是热敏电阻的缩写)。电阻随温度的变化遵循经典的对数曲线(见图3)。

　　热敏电阻由粉末金属氧化物的混合物制成; 食谱是各种热敏电阻制造商密切关注的秘密。粉末状金属氧化物充分混合并形成热敏电阻制造过程所需的形状。加热形成的金属氧化物直至金属氧化物熔化并变成陶瓷。大多数热敏电阻由切成单个传感器的薄陶瓷片制成。热敏电阻通过在其上放置引线并浸入环氧树脂或封装在玻璃中来完成。

　　Samuel Ruben于1930年发明了热敏电阻.Ruben先生为Vega制造公司工作。Vega制作吉他，班卓琴和录音机。Ruben先生正在研究电子唱机手写笔拾音器时，他注意到他正在研究的拾音器配置具有相当大的负温度系数。

　　在过去的80年里，热敏电阻已经走过了漫长的道路。根据美国国家标准与技术研究院(NIST)的研究人员的说法，玻璃封装的热敏电阻比RTD更稳定。无论是玻璃还是环氧树脂涂层的热敏电阻都可以在很大的温度范围内保持±0.2°C。超精密(XP)热敏电阻保持±0.1°C。

　　到20世纪60年代，热敏电阻是主流传感器。伍兹霍尔海洋研究所的两位研究人员斯坦哈特和哈特发表了一篇论文，定义了热敏电阻的温度与电阻公式。Steinhart-Hart方程已成为热敏电阻的行业标准公式。

　　经典的Steinhart和Hart方程具有以下形式：

　　1 / T = A0 + A1(lnR)+ A3(lnR)3

　　其中：T =开尔文的温度(开尔文=摄氏+ 273.15)

　　A0，A1，A3 =源自热敏电阻的常数测量

　　R =热敏电阻的电阻，单位为欧姆

　　ln =自然对数(记录到Napierian基地2.718281828 ...)

　　在实践中，在三个限定的温度下进行三次热敏电阻器电阻测量。这些温度通常是两个端点和感兴趣的温度范围的中心点。该等式直接击中这三个点，并且在该范围内具有小的误差。BAPI可以在0°C至70°C的温度范围内提供Steinhart-Hart系数，其不确定度为0.01°C或更低。

　　热敏电阻没有行业或政府标准。在HVAC / R世界中，10K热敏电阻至少有5种不同的温度与电阻曲线。所有热敏电阻在77°F或25°C时都具有10,000欧姆的电阻，但是当您远离77°F时，它们的变化很大。BAPI的10K-2和10K-3热敏电阻在77°F时具有10,000欧姆的电阻。在32°F(0°C)时，10K-2热敏电阻具有32,650欧姆的电阻和10K-3 29,490欧姆。如果用10K-3热敏电阻代替10K-2，则在32°F时可能会产生6°F的测量误差。

　　热敏电阻的温度变化非常大。区分一个程度和另一个程度相对容易。这种大的电阻变化将可以解决的温度范围限制为RTD可以解决的温度范围的一小部分。

　　RTD和热敏电阻的精度和温度范围如何比较?

　　在热敏电阻工作温度范围内，热敏电阻通常比B类RTD更精确，类似于A类RTD。

　　图3：热敏电阻和RTD的精度限制和可用温度范围

　　RTD和热敏电阻还有其他应用限制吗?

　　用于将温度传感器连接到测量设备的接线增加了电阻和测量误差。

　　通常使用18号铜线将传感器连接到其测量设备。在20°C(43°F)温度下，18线规电线每1000英尺电线的电阻为6.4欧姆。在140°F(70°C)时，18号线的每1000英尺电线有7.7欧姆。表2显示了如果您希望在¼°F或更低温度下保持接线错误，可以使用多少电线。

　　表2中的接线错误说明了温度变送器与RTD一起使用的原因。只有发射器才允许合理的接线长度。变送器将RTD电阻更改为与RTD温度成比例的4至20 mA电流信号。必须建立温度范围; 4 mA输出对应最低温度，20 mA对应最高温度。任何中间温度只是4 mA至20 mA的线性比例。发射器必须位于RTD位置的10英尺范围内。发射器距离测量设备最远可达77,000英尺。