如何進行RTD測量-AET-電子技術應用

如何進行RTD測量

摘要： 如何進行RTD測量

關鍵詞： 熱電阻 NI

Abstract：

Key words :

RTD概覽

鉑電阻溫度傳感器（RTD）在0 °C時的典型阻抗為100Ω。它由疊加于塑料膜之上的鉑金屬薄膜組成。其阻抗隨溫度變化而改變，通常，它所測量的溫度可以高達850 °C。流經RTD的電流在RTD的兩端產生一個電壓差。通過測量這一電壓差，您可以確定其阻抗，進而確定其溫度。阻抗與溫度間的關系近似呈線性。

ni.com/video/popup/?url=rtmp://cosine.ni.com/flvplayback/us/2008/rtd.flv" target="_blank">

RTD基礎知識

RTD基于純金屬電子阻抗改變的工作原理，具有阻抗隨溫度呈線性遞增變化的特性。RTD所使用的典型元素包括鎳（Ni）和銅（Cu），而鉑（Pt）憑借其寬廣的溫度范圍、精度和溫度性，成為迄今最為常用的金屬

RTD的構造采用了兩種不同的制造配置方式之一。繞線式RTD通過將細線繞入線圈構造。一種更為常見的配置便是采用薄膜結構，該結構由覆蓋于塑料或陶瓷子層上的非常之薄的金屬層構成。該薄膜組分成本更低且更為廣泛可用，因為它可以利用更少的鉑金屬得到更高的標稱阻抗。為了保護RTD，RTD單元和與其相連接的導線封裝在一個金屬外鞘內。

憑借其穩定性RTD得到了廣泛的應用，RTD展現了任何其他電子溫度傳感器都無法媲美的信號相對溫度所具有的線性度。然而，由于復雜的制造工藝和貴金屬鉑的使用，它通常也比其替代品更為昂貴。RTD還具有響應慢和敏感度低的特點，而且，由于需要電流激勵，它容易產生自熱現象。

RTD通常依據其在0 °C時的標稱阻抗進行分類。對于鉑薄膜RTD，典型的標稱阻抗包括100 Ω和1000 Ω。其阻抗與溫度間的關系近似呈線性，并遵循如下等式：

當溫度低于0 °C時，RT = R0 [ 1 + aT + bT2 + cT3 (T - 100) ]（等式1）

當溫度高于0 °C時， RT = R0 [ 1 + aT + bT2 ]

其中，R_T為溫度為T時的阻抗，R₀為標稱阻抗，a、b和c分別是RTD所使用的比例常數。

100 W鉑RTD（通常稱為Pt100）的阻抗-溫度曲線如圖1所示。

圖1. 100 Ω鉑RTD的阻抗-溫度曲線，其中a = 0.00385

該關系雖然表現出相對線性，但是曲線擬合通常是進行精確RTD測量的最精確方式。

利用RTD測量溫度

所有的RTD通常采用紅與黑或紅與白的導線色彩組合。紅色導線是激勵導線，而黑色導線或白色導線是接地導線。如果您不確信哪一根導線與阻抗部分的哪一邊相連，您可以使用數字萬用表（DMM）測量導聯之間的阻抗。如果阻抗接近0 ?，那么這些導聯與同一個節點相連。如果阻抗與標稱的測量阻抗相近（100 ?是一種常見的RTD標稱測量阻抗），那么您所測量的導線分別位于阻抗部分的相對端。此外，查閱RTD的技術規范以確定該特定設備的激勵水平。

絕大多數儀器為RTD測量提供相似的針腳配置。下例展示了如何利用NI CompactDAQ機箱與NI 9217 RTD模塊（參見圖2）進行此類測量。

圖2. NI CompactDAQ底板與NI 9217 RTD模塊

RTD是一個無源測量設備，因此，您必須為其提供激勵電流，然后讀出跨越其端子的電壓。進而您可以利用簡單的算法方便地將所讀出的電壓值轉換為溫度值。為了避免由流過RTD的電流導致的自熱生，應盡可能地最小化該激勵電流。實質上存在三種不同的利用RTD測量溫度的方法。

2-線-RTD信號連接

將RTD的紅色導聯與激勵源的正極相連。利用跳線將激勵源的正極針腳與數據采集設備的正通道相連。將RTD的黑色（或白色）導聯與激勵源的負極相連。利用跳線將激勵源的負極針腳與數據采集設備的負通道相連。

圖3. 2-線RTD測量

在2-線方法中，給RTD施加激勵電流的兩根導線與測量RTD電壓所使用的兩根導線相同。

利用RTD獲取溫度讀數的最便捷的方式便是使用2-線方法；然而，該方法的不足在于導線的導聯阻抗較高，那么所測得的電壓Vo將會顯著高于RTD本身所承載的電壓。NI 9217不支持2-線測量配置。

3-線-RTD信號連接

將RTD的紅色導聯與激勵源的正極相連。利用跳線將激勵源的正極針腳與數據采集設備的正通道相連。將RTD的黑色（或白色）導聯之一分別與激勵源的負極、負通道相連。圖4描述了測量所需的外部連接以及NI 9217 RTD模塊的針腳引線。

圖4. 3-線 RTD測量

4-線-RTD信號連接

如欲連接該RTD，僅需將位于其阻抗部分的正極邊的每個紅色導聯分別與激勵源的正極和數據采集設備的正通道相連。將位于其阻抗部分的負極邊的每個黑色（或白色）導聯分別與激勵源的負極和數據采集設備的負通道相連。來自2-線RTD的兩根額外的導聯提高了所能達到的精度。圖5描述了該測量所需的外部連接以及NI 9217 RTD模塊的針腳引線。