RTD原理及其温度采集

(22) 2024-02-10 18:01:01

RTD是Resistance Temperature Detector的缩写,意思是电阻温度检测器。

RTD原理及其温度采集 (https://mushiming.com/)  第1张

接下来我们将从四个方面介绍RTD的内容

一、测量原理

RTD能够测量温度是利用了金属电阻随温度的升高而升高这一性质。为什么金属会具有这样的特性呢?是因为金属原子的最外层电子数少,容易失去电子。

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 当大量的金属原子聚集时,绝大部分的金属原子就会失去其价电子(最外层电子)。

RTD原理及其温度采集 (https://mushiming.com/)  第3张RTD原理及其温度采集 (https://mushiming.com/)  第4张

 正离子又会以一定的几何形式排列起来,在固定的位置上做高频的热振动,而失去的电子则成为自由电子,在正离子间运动,大量自由电子的移动,就造成了金属的导电性较好。

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 但是,当金属的温度升高时,正离子间的热振动幅度变大,这就会阻碍自由电子的移动,这就表现为金属的阻值增大。

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二、常见类型

当然,不是所有的金属都适合做测量电阻。经过筛选人们将铂、铜、镍作为RTD的使用材料。

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 铂的特性稳定、耐腐蚀,不会因高低温引起物理或化学的变化,所以铂RTD是测量温度最准确最稳定的一种,在工业生产中使用最广泛。常见的型号有PT100、PT500、PT1000等。

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 镍是一种硬且有延展性的金属,比较耐腐蚀,但长时间的使用会使镍金属加速老化,影响测量精度,所以镍RTD的使用范围很小。

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铜是比较柔软且有良好延展性和导电性的金属,在一定温度下铜的电阻-温度线性度很好,但铜在高温下会发生氧化反应,影响精度,所以铜RTD在低温场景下的使用比较多,常见的型号有Cu50、Cu100。

这些RTD的型号是什么意思呢?以PT100为例,PT表示它是铂电阻,100表示它在0℃时,电阻的阻值是100Ω。其他型号的表示方法也是这样。

三、RTD的优势

RTD原理及其温度采集 (https://mushiming.com/)  第10张   从图中可以看出RTD的电阻-温度线性度是最好的。

热电阻

热电偶

热敏电阻

工作原理

电阻随温度变化而变化

热电效应

电阻随温度变化而变化

测温范围(

-200~600

-200~1300

大多数在0~150

温度分辨率

较高

很高

线性度

材料

单金属

双金属

半导体

是否需补偿

×

是否需激励

×

响应时间

上图是热电阻、热敏电阻、热电偶这三种传感器的比较。可以发现,在中低温的温度测量中,RTD具有明显的优势。高温测量时,使用热电偶的效果更好。在一定温度下,使用精度很高的热敏电阻更合适。虽然热电阻的线性度比较好,但是如果想获得相对准确的温度值,我们通常还是以查表的方式来实现。

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四、测量方法

我们知道了RTD的测量原理,那么就要说一说RTD是如何测量的

测量电阻我们首先想到的就是利用欧姆定律:R=U/I。

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 在测量阻值较小的电阻时,通常使用恒流源作为激励,然后测量电阻两端的电压,通过计算得到其电阻值。而且RTD所用的激励电流最大为5mA,所以一般使用1mA甚至更小的电流作为激励。具体的测量方法分为二线制、三线制和四线制这三种形式。

二线制测量的电路图基本与上图一致,不过在实际测量中会有线电阻的影响。如下图所示,

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 线电阻的计算公式是RTD原理及其温度采集 (https://mushiming.com/)  第14张

𝜌是导体的电阻系数也就是电阻率

𝑙是导体的长度

𝑠是导体的横截面积

现在我们尝试计算线电阻的阻值。假设使用一个导线长度为1米的PT100进行温度测量,导线的半径为0.2毫米,已知现在导线的电阻率为1.74×10-8RTD原理及其温度采集 (https://mushiming.com/)  第15张

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  可以计算得到一根导线的阻值是0.14Ω,二线制测量需要引出两根导线,那么一共就有0.28Ω的电阻误差。当测量电阻是111.29Ω时,查PT100的热电阻分度表可知,温度是29℃。但因为有导线带来的电阻误差,实际电阻值是111.01Ω,查表得到实际温度是28℃。可知导线带来了1℃的误差,随着导线加长,误差会进一步加大。

我们再看四线制。

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 这种方法是引出两根导线直接测量电阻的电压值,这就排除了导线电阻的影响。所以得到的温度是最精确的,但由于它增加了两根导线,就会提高实现难度和使用成本,所以四线制只有在需要高精度的实验室中才会用到。

而三线制则在成本和测量精度之间找到了平衡,受到使用者的青睐。

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 这种方法是通过增加一个电流源,抵消了线电阻上产生的电压,将误差控制在合理的范围内。这里我们进行简单说明:电压值V我们通过V1-V2得到,分析一下电流I1的流向,I1从电流源1中流出经过线电阻1到RTD电阻,最后经过线电阻3。

所以:RTD原理及其温度采集 (https://mushiming.com/)  第19张

 电流I2是从电流源2流出,经过线电阻2再到线电阻3。

所以:RTD原理及其温度采集 (https://mushiming.com/)  第20张

假设I1=I2=I,R1=R2=R3=R

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所以RTD原理及其温度采集 (https://mushiming.com/)  第23张

可知此方法测得的电压值只是RTD原理及其温度采集 (https://mushiming.com/)  第24张上的电压值,这样也就消除了线电阻带来的影响。

下面我们使用PT100,检测一下手机在使用过程中的温度变化情况。我们用三线制的PT100薄膜热电阻,对手机进行温度测量。这种热电阻是新一代的温度测量和调节传感器,它的响应时间快,精度高,尺寸小,适用于液体、气体等介质,以及固体表面等温度的测量。

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 如果是不锈钢套管热电阻,它会将热电阻阻体以及引线插入到不锈钢套管内,套管可以起到保护作用,是最常见的封装方式。

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测量温度时,热电阻的测温端与被测物贴合。我们将热电阻连接到M2111RTD温度采集模块上。通过一个485串口转换器和电脑连接,这样就可以在电脑上显示实时的温度情况。

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 这是连接好的状态,将电阻温度传感器放在手机摄像头旁的位置,设置采集软件相关参数。现在开始测试,进入游戏,我们要看看玩一局游戏,手机大约会升高多少度。

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测试完成后,分析波形图可以发现:几个下降区间是因为将手机放在了温度较低的桌面上导致的,波形整体呈上升趋势。

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查看储存的CSV文件,可以看到传感器在每个时刻采集到的温度。

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回到波形图,放大纵坐标可以看到,现在手机温度为37.7℃,手机的初始温度是32.4℃,一局游戏大约是15分钟。可以计算到,玩游戏时手机每分钟大约升高0.35℃。当然这只是一个估算还有很多情况没有考虑到。

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软件使用可点击连接观看:M系列远程IO模块操作

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