RTD原理及其温度采集

Posted 2022-12-19 无痕幽雨

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

 

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。

 

 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）。

       

 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。

 

 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。

 

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。

 

 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。

 

 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。

 

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

 

   从图中可以看出RTD的电阻－温度线性度是最好的。

 

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。

 

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。

 

 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，

 

 线电阻的计算公式是。

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1.74×10-8。

 

 

  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。

 

 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。

 

 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。

 

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。

 

 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。

 

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。

 

 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。

 

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。

 

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。

 

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。