使用RTD进行温度测量:操作指南

更新 Apr 13, 2021

环境

硬件

  • CompactDAQ Chassis

软件

  • LabVIEW

驱动

  • NI-DAQmx

操作系统

  • Windows

本文档是《最常见测量方法指南》的一部分。

RTD概述

铂电阻温度检测器(RTD)是在0°C时典型电阻为100Ω的设备。它由塑料薄膜上的铂金薄膜组成。它的电阻随温度变化,通常可以测量高达850°C的温度。使电流流过RTD会在RTD两端产生电压。通过测量该电压,可以确定其电阻,从而确定其温度。电阻和温度之间的相对线性关系。

图1. RTD的物理架构
RTD基础知识

RTD根据纯金属电阻变化原理工作,其特征是电阻随温度呈正线性变化。用于RTD的典型元素包括镍(Ni)和铜(Cu),但是铂(Pt)由于其宽的温度范围,准确性和稳定性而成为最常见的元素。

使用两种不同的制造配置之一构造RTD。绕线RTD是通过将细线绕成线圈而形成的。较常见的配置是薄膜元件,它由一层非常薄的金属层组成,这些金属层铺在塑料或陶瓷基板上。薄膜元件更便宜且更容易获得,因为它们可以用更少的铂实现更高的标称电阻。为了保护RTD,金属护套将RTD元件及其连接的导线包起来。

由于其稳定性,RTD相对于任何电子温度传感器的温度都呈现出最线性的信号。但是,由于铂的精细构造和使用,它们通常比替代品更昂贵。 RTD还具有响应时间慢和灵敏度低的特点,并且由于它们需要电流激励,因此易于自发热。

RTD通常根据其在0°C时的标称电阻进行分类。铂薄膜RTD的典型标称电阻值为100和1000Ω。电阻和温度之间的关系几乎是线性的,并遵循以下公式:

对于<0°C,RT = R0 [1 + aT + bT2 + cT3(T-100)](公式1)

对于> 0°C,RT = R0 [1 + aT + bT2]

其中RT =温度T时的电阻

R0 =标称电阻

a,b和c =用于缩放RTD的常数

图2显示了100Ω铂RTD(通常称为Pt100)的电阻/温度曲线。

图2. 100Ω铂RTD的电阻-温度曲线,a = 0.00385
这种关系看起来相对线性,但是曲线拟合通常是进行精确RTD测量的最准确方法。

最常见的RTD是a值为0.385%/°C的铂薄膜,并根据DIN EN 60751进行了规定。该值取决于所用铂的等级,通常还包括0.3911%/°C和0.3926% /℃。 a值定义了金属元素的灵敏度,但通常用于区分各种RTD的电阻/温度曲线。

表1.与普通RTD对应的Callendar-Van Dusen系数
标准温度系数(a)一种C
DIN 437600.003850
美国人0.003911
ITS-900.003926
*仅适用于0°C以下的温度;温度高于0°C时C = 0.0。

如何进行RTD测量

使用RTD测量温度

所有RTD通常采用红色和黑色或红色和白色线色组合。红线是激励线,黑线或白线是地线。如果不确定哪条导线连接到电阻元件的哪一侧,可以使用数字万用表(DMM)测量导线之间的电阻。如果电阻接近0,则导线连接到同一节点。如果电阻接近标称标称电阻(100Ω是常见的RTD标称标称电阻),则您要测量的导线位于电阻元件的另一侧。此外,请参考RTD规范以找到该特定设备的激励电平。

大多数仪器为RTD测量提供类似的引脚配置。以下示例演示了使用NI CompactDAQ机箱和NI 9217 RTD模块的RTD测量(图3)。对于更高通道数的测量系统,NI提供了PXIe-4357 RTD输入模块。


图3. NI CompactDAQ机箱和NI 9217 RTD模块

图4 。 PXIe-4357 RTD模块

RTD是一种无源测量设备;因此,必须为其提供激励电流,然后读取其端子上的电压。然后,您可以使用简单的算法轻松地将此读数转换为温度。为了避免由流过RTD的电流引起的自发热,请尽可能减小该励磁电流。基本上有三种使用RTD测量温度的方法。

两线制– RTD信号连接

将红色RTD导线连接到励磁正极。在数据采集设备上从激励正极引脚到通道正极放置一个跳线。将黑色(或白色)RTD导线连接到励磁负极。在数据采集设备上将一个从励磁负极到通道负极的跳线放置。


图4.两线RTD测量

在两线法中,为RTD提供其激励电流的两条线与测量RTD电压的两条线是相同的。

用RTD读取温度的最简单方法是使用两线法。但是,这种方法的缺点是,如果导线中的引线电阻很高,则测得的电压VO明显高于RTD本身的电压。 NI 9217不支持两线测量配置。

三线制– RTD信号连接

将红色RTD导线连接到励磁正极。在数据采集设备上从激励正极引脚到通道正极放置一个跳线(注意:NI 9217无需执行此步骤;它内部连接这两个通道,请参见下文)。将黑色(或白色)RTD导线之一连接到负激励,另一根连接到通道负。

图5显示了用于测量的外部连接以及NI 9217 RTD模块的引脚。激励正极连接到RTD0 +,因为NI 9217内部将其连接到激励端子。


图5.三线RTD测量

四线制– RTD信号连接

要连接此RTD,只需将电阻元件正侧的每个红色引线连接到数据采集设备上的激励正和通道正。将电阻性元件负极上的黑色(或白色)导线连接到数据采集设备上的激励和负极通道。两线制RTD的另外两条引线提高了可达到的精度。图6显示了用于测量的外部连接以及NI 9217 RTD模块的引脚。


图6.四线RTD测量

四线制方法的优点是不受引线电阻的影响,因为它们位于高阻抗路径中,该路径穿过正在执行电压测量的设备。因此,您可以更准确地测量RTD两端的电压。

RTD噪声注意事项

RTD输出信号通常在毫伏范围内运行,因此容易受到噪声的影响。低通滤波器通常在RTD数据采集系统中使用,并且可以有效消除RTD测量中的高频噪声。例如,低通滤波器可用于消除大多数实验室和工厂设置中普遍存在的60 Hz电源线噪声。

您还可以通过放大信号源附近的低电平RTD电压来显着改善系统的噪声性能。由于RTD输出电压电平非常低,因此您应该选择一种增益,以优化模数转换器(ADC)的输入限制。

开始查看测量结果:NI LabVIEW

将传感器连接到测量仪器后,即可使用LabVIEW图形化编程软件根据需要可视化和分析数据。


图7. LabVIEW RTD测量