电阻温度检测器(RTD)

作者：Dale Cigoy，Keithley Instruments 公司高级应用经理 -- Control Engineering China 2006-03-24 点击:41

　　在无论是采用2线、3线还是4线配置，RTD都证明是一种稳定而又精确的测温器件，但也最昂贵。了解RTD 的优点与缺点，有助于您进行温度测量决策。
　　众多测量温度（或测温）方法中，电阻温度检测器（或电阻测温器，通常简称为RTD）是最精确的一种方法。在RTD中，器件电阻与温度成正比。尽管有些RTD使用镍或铜，但RTD最常用的电阻材料还是铂。RTD拥有很宽的温度测量范围。根据其构造，RTD可测量-270～850℃的温度范围。
　　RTD需要有外部激励（通常为一个电流源）才能适当地工作。但电流也会在电阻元件中产生热，从而引起测量误差。温度误差可用下式计算：
　　△T = P x S
　　其中T为温度，P为所产生的功率I2R，S的单位是℃/mW。
　　测量方法
　　有多种用RTD测量温度的方法。一种是让电流通过RTD并测量其上电压的2线方法。其优点是仅需要使用两根导线，因而容易连接与实现。缺点是引线电阻会参与温度测量，从而引入一些误差。
　　2线方法的一种改进是3线方法。其中虽然也采用让电流通过电阻并测量其电压的方法，但使用第三根线可对引线电阻进行补偿。这需要有一个第三线补偿测量单元，或需要测出第三根线上的温度值，并将其从总的温度测量值上减去。

图1：典型2 线电阻测温方法示意图。

图2：典型4 线电阻测量方案，有助于消除温度测
量中的大部分噪声与不确定性。

　　第三种方法是4线法。与其它两种方法一样，4线法中也同样采用让电流通过电阻并测量其电压的方法。但是从引线的一端引入电流，而在另一端测量电压。电压是在电阻元件(RTD)上、而不是和源电流在同一点上测量，这意味着将引线电阻完全排除在温度测量路径以外。换句话说，引线电阻不是测量的一部分，因此不会产生误差。
　　例如，如果引线电阻约为100毫欧，而RTD为100欧姆，则引线电阻大约会产生0.1%的测量误差。在4线方法中，引线电阻不是测量的一部分，因此它是一种测量RTD电阻的更精确方法，因为它完全排除了引线电阻。
　　优点与缺点
　　RTD具有一些明显优于其他测温器件的优点。例如，它是所有测温器件中最稳定及最精确的一种，且其线性也比热电偶要好。
　　不过RTD也有一些缺点。例如，它比热敏电阻和热电偶都贵，且需要使用一个电流源。其DR也较小，这意味着用于测量温度变化的电阻也较小。例如，当温度变化1℃时，RTD可能只变化0.1欧姆。但如果采用2线法，则较低的绝对电阻也会引起测量误差。

　　RTD虽是所有测温器件中最稳定及最精确的一种，但它也有一些缺点。RTD比热敏电阻和热电偶都贵，且需要使用一个电流源。

　　在使用RTD时，有几种常见的现象常常未被人们考虑到，其中最严重的一种现象就是自热。如果RTD由于测量电流流过而产生自热，则可能会引起误差。例如，在测量低温（例如低于0℃）时，RTD的自热会提高预期的测量温度。此外，如果不对引线（电阻）进行补偿的话，还会引起更大的误差。采用4线方法有助于消除这种误差。另一个现象是未选择合适的RTD温度范围。试图测量RTD温度范围以外的温度，可引起更大的误差，甚至使传感器（RTD）损坏。因此，我们应该总是为预期的测量选择合适的RTD。