使用RTD進行溫度測量:操作指南

更新 Jun 24, 2022

環境

硬件

  • CompactDAQ Chassis

軟體

  • LabVIEW

驅動程式

  • NI-DAQmx

操作系統

  • Windows

此文件是《最常見測量方法指南》的一部分。

RTD概述

鉑電阻溫度檢測器(RTD)是在0°C時典型電阻為100Ω的設備。它由塑膠薄膜上的鉑金薄膜組成。它的電阻隨溫度變化,通常可以測量高達850°C的溫度。使電流流過RTD會在RTD兩端產生電壓。通過測量該電壓,可以確定其電阻,從而確定其溫度。電阻和溫度之間的相對線性關係。

圖 1. RTD 的物理架構
RTD基礎知識

RTD根據純金屬電阻變化原理工作,其特徵是電阻隨溫度呈正線性變化。用於RTD的典型元素包括鎳(Ni)和銅(Cu),但是鉑(Pt)由於其寬的溫度範圍,準確性和穩定性而成為最常見的元素。

使用兩種不同的製造配置之一構造RTD。繞線RTD是通過將細線繞成線圈而形成的。較常見的配置是薄膜元件,它由一層非常薄的金屬層組成,這些金屬層鋪在塑膠或陶瓷基板上。薄膜元件更便宜且更容易獲得,因為它們可以用更少的鉑實現更高的標稱電阻。為了保護RTD,金屬護套將RTD元件及其連接的導線包起來。

由於其穩定性,RTD相對於任何電子溫度感測器的溫度都呈現出最線性的信號。但是,由於鉑的精細構造和使用,它們通常比替代品更昂貴。 RTD還具有響應時間慢和靈敏度低的特點,並且由於它們需要電流激勵,因此易於自發熱。

RTD通常根據其在0°C時的標稱電阻進行分類。鉑薄膜RTD的典型標稱電阻值為1001000Ω。電阻和溫度之間的關係幾乎是線性的,並遵循以下公式:


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

對於 >0 °C RT = R0 [ 1 + aT + bT2 ]

其中 RT = 溫度 T 下的電阻

R0 = 標稱電阻

a、b 和 c = 用於縮放 RTD 的常數

圖 2 顯示了 100 Ω 鉑 RTD(通常稱為 Pt100)的電阻/溫度曲線。

圖 2. 100 Ω 鉑 RTD 的電阻-溫度曲線,a = 0.00385
這種關係看起來相對線性,但是曲線擬合通常是進行精確RTD測量的最準確方法。

最常見的RTDa值為0.385/°C的鉑薄膜,並根據DIN EN 60751進行了規定。該值取決於所用鉑的等級,通常還包括0.3911/°C0.3926 / a值定義了金屬元素的靈敏度,但通常用於區分各種RTD的電阻/溫度曲線。


表 1. 對應於常見 RTD 的 Callendar-Van Dusen 係數
標準溫度係數 (a)一個C
DIN 437600.003850
美國人0.003911
ITS-900.003926
* 僅適用於低於 0 °C 的溫度;對於高於 0 °C 的溫度,C = 0.0。

如何進行RTD測量
使用RTD測量溫度
所有RTD通常採用紅色和黑色或紅色和白色線色組合。紅線是激勵線,黑線或白線是地線。如果不確定哪條導線連接到電阻元件的哪一側,可以使用數位萬用表(DMM)測量導線之間的電阻。如果電阻接近0,則導線連接到同一節點。如果電阻接近標稱量規電阻(100Ω是常見的RTD標稱量規電阻),則您要測量的導線位於電阻元件的另一側。此外,請參考RTD規範以找到該特定設備的激勵位階。

大多數儀器為RTD測量提供類似的引腳配置。以下範例演示了使用NI CompactDAQ主機殼和NI 9217 RTD模組的RTD測量(圖3)。對於更高通道數的測量系統,NI提供了PXIe-4357 RTD輸入模組。


圖 3. NI CompactDAQ 機箱和 NI 9217 RTD 模塊

圖 4 。 PXIe-4357 RTD 模塊

RTD是一種無源測量設備;因此,必須為其提供勵磁電流,然後讀取其端子上的電壓。然後,您可以使用簡單的演算法輕鬆地將此讀值轉換為溫度。為了避免由流過RTD的電流引起的自發熱,請盡可能減小該勵磁電流。基本上有三種使用RTD測量溫度的方法。

兩線制– RTD信號連接

將紅色RTD導線連接到勵磁正極。在資料獲取設備上從勵磁正極引腳到通道正極放置一個跳線。將黑色(或白色)RTD導線連接到勵磁負極。在資料獲取設備上將一個從勵磁負極到通道負極的跳線放置。


圖 4.兩線 RTD 測量

在兩線法中,為RTD提供其勵磁電流的兩條線與測量RTD電壓的兩條線是相同的。

RTD讀取溫度的最簡單方法是使用兩線法。但是,這種方法的缺點是,如果導線中的引線電阻很高,則測得的電壓VO明顯高於RTD本身的電壓。 NI 9217不支援兩線測量配置。

三線制– RTD信號連接

將紅色RTD導線連接到勵磁正極。在資料獲取設備上從勵磁正極引腳到通道正極放置一個跳線(注意:NI 9217無需執行此步驟;它內部連接這兩個通道,請參見下文)。將黑色(或白色)RTD導線之一連接到勵磁負極,另一根連接到通道負極

5顯示了用於測量的外部連接以及NI 9217 RTD模組的引腳。勵磁正極連接到RTD0 +,因為NI 9217內部將其連接到勵磁端子。


圖 5.三線 RTD 測量

四線制– RTD信號連接

要連接此RTD,只需將電阻元件正側的每個紅色引線連接到資料獲取設備上的勵磁正極和通道正極。將電阻性元件負極上的黑色(或白色)導線連接到資料獲取設備上的勵磁和通道負極。兩線制RTD的另外兩條引線提高了可達到的精度。圖6顯示了用於測量的外部連接以及NI 9217 RTD模組的引腳。


圖 6.四線 RTD 測量

四線制方法的優點是不受引線電阻的影響,因為它們位於高阻抗路徑中,該路徑穿過正在執行電壓測量的設備。因此,您可以更準確地測量RTD兩端的電壓。

RTD雜訊注意事項

RTD輸出信號通常在毫伏範圍內運行,因此容易受到雜訊的影響。低通濾波器通常在RTD資料獲取系統中使用,並且可以有效消除RTD測量中的高頻雜訊。例如,低通濾波器可用於消除大多數實驗室和工廠設置中普遍存在的60 Hz電源線雜訊。

您還可以通過放大信號源附近的低電平RTD電壓來顯著改善系統的雜訊性能。由於RTD輸出電壓電平非常低,因此您應該選擇一種增益,以優化模數轉換器(ADC)的輸入限制。

開始查看測量結果:NI LabVIEW

將感測器連接到測量儀器後,即可使用LabVIEW圖形化程式設計軟體根據需要視覺化和分析資料。


圖 7. LabVIEW RTD 測量