热电阻定义
RTD是Resistance Temperature Detector的缩写,意思是电阻温度检测器。接下来我们将从五个方面介绍RTD的内容。
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)。
这时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,表现为金属的阻值增大。
常见类型
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。
RTD的优势
从上图可以看出RTD的电阻-温度线性度是最好的。
表格比较了热电阻、热敏电阻、热电偶这三种传感器。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。下图是PT100的热电阻分度表。
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与上图基本一致,不过在实际测量中会有线电阻的影响。如下图所示:
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,查看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。如下图:
它的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,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。
可知此方法测得的电压值只是上的电压值,这样也就消除了线电阻带来的影响。
温度采集
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(如下图所示)。
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。
上图是连接好的状态,然后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。
以上就是我们使用RTD传感器测量温度的全过程,软件使用及模块信息均可在网站的相关页面查看。