Pt100 溫度傳感器 – 需要了解的有用事項

作者：Heikki Laurila? 發布時間：2018年4月17號?下午3:47:18

 

Pt100溫度傳感器是過程工業中非常常見的傳感器。 這篇博客文章分享了許多關于Pt100傳感器有用和實用的知識。包含有關RTD和PRT傳感器的信息，不同的Pt100機械結構，溫度-電阻關系，溫度系數，精度等級等等。

 

不久前我寫了一篇關于熱電偶的文章，所以我認為現在是時候寫RTD溫度傳感器了，尤其是Pt100傳感器，這是過程工業中非常常見的溫度傳感器。 由于有很多有用的信息可以在Pt100傳感器上共享，因此這篇博客的篇幅很長。 我希望您喜歡它，并從中學到一些東西。 所以讓我們開始吧！

 

目錄

 

由于這篇文章很長，這里有一篇目錄，可以幫助您查看包含的內容：

 

RTD傳感器

PRT傳感器

PRT與熱電偶

測量RTD / PRT傳感器

測量電流

自熱

PRT傳感器的不同機械結構

• SPRT
• 部分支持PRT
• 工業鉑電阻溫度計，IPRT
• 薄膜

其他RTD傳感器

• 其他鉑傳感器
• 其他RTD傳感器

Pt100傳感器

• 溫度系數
• Pt100（385）耐溫關系
• 其他Pt100傳感器具有不同的溫度系數
• 確保您的測量設備支持您的Pt100傳感器

Pt100精度（公差）等級

系數

• 卡德倫公式
• ITS-90
• Steinhart-Hart公式

 

在術語中，通常使用“sensor”傳感器和“probe”傳感器兩個詞，本文主要使用“sensor”傳感器。

 

另外，人們一般都寫成“Pt100”和“Pt-100”，我將主要使用Pt100格式。 （是的，我知道IEC / DIN 60751使用Pt-100格式，但我已經習慣了用Pt100格式）。

 

RTD傳感器

 

由于Pt100是RTD傳感器，讓我們先來看看RTD傳感器是什么。

 

縮寫RTD來自“電阻式溫度傳感器”。它是一種溫度傳感器，其電阻取決于溫度; 當溫度變化時，傳感器的電阻會發生變化。 因此，通過測量傳感器的電阻，從而測量溫度。

 

RTD傳感器通常由鉑，銅，鎳合金或各種金屬氧化物制成。

 

PRT傳感器

 

鉑是RTD傳感器最常用的材料。 鉑具有可靠性，可重復性和線性的耐溫關系。 由鉑制成的RTD傳感器稱為PRT，“Platinum Resistance Thermometer”。在過程工業中最常用的鉑PRT傳感器是Pt100傳感器。 名稱中的數字“100”表示在0°C（32°F）溫度下電阻為100Ω。 稍后將詳細介紹。

 

PRT與熱電偶

 

在之前的博客文章中，我們討論了熱電偶。 熱電偶還可用作許多工業應用中的溫度傳感器。 那么，熱電偶和PRT傳感器之間的區別是什么？ 以下是熱電偶和PRT傳感器的簡短比較：

 

熱電偶：

 

• 可用于測量更高的溫度
• 測溫范圍廣
• 便宜
• 自供電，不需要外激勵
• 準確度較低
• 需要冷端補償
• 引線必須是適用于熱電偶類型的材料，并且必須注意測量電路中所有接頭的溫度均勻性
• 導線的不均勻性可能會導致誤差

 

PRTs傳感器：

 

• 比熱電偶更高的準確性，更好的線性和穩定性
• 不像熱電偶那樣需要冷端補償
• 引線可以是銅線
• 比熱電偶更貴
• 需要適合傳感器類型的已知激勵電流
• 易損

 

簡言之，您可以說熱電偶更適合高溫測量，PRT適用于要求更高精度的測量。
有關熱電偶和冷端補償的更多信息，請參閱此博客文章：熱電偶冷（參考）端補償

 

RTD / PRT傳感器測量

 

由于RTD傳感器的電阻隨溫度的變化而變化，因此很明顯，在測量RTD傳感器時，您需要測量電阻。 您可以測量以歐姆為單位的電阻，然后根據所使用的RTD類型的轉換表（或公式）將其手動轉換為溫度測量值。

 

現在，最常見的情況是，當在設備中選擇正確的RTD類型時（假設它支持使用的RTD類型），使用自動將測量電阻轉換為溫度讀數的溫度測量儀器或校準器。當然，如果在設備中選擇了錯誤的RTD傳感器類型，將導致錯誤的溫度測量結果。

 

有不同的方法來測量電阻。 您可以使用2,3或4線連接。 2線連接僅適用于非常低精度的測量（主要是故障排除），因為任何導線電阻或連接電阻都會給測量帶來誤差。 正常情況下，任何的過程測量都應使用3線或4線測量。

 

例如，IEC 60751標準規定，任何優于B級精度的傳感器必須使用3線或4線測量進行測量。 本文后面將詳細介紹精度等級。

 

記住使用3或4線測量，您就可以繼續往下看了。

 

當然，對于某些高阻抗熱敏電阻，Pt1000傳感器或其他高阻抗傳感器，2線測量引起的額外誤差可能不會太大。

 

測量電流

 

正如上述博文鏈接中解釋的那樣，當設備測量電阻時，它通過電阻發送小而精確的電流，然后測量在其上產生的電壓降。 然后，可以通過根據歐姆定律（R = U / I）將電壓降除以電流來計算電阻。

 

自熱

 

當測量電流通過RTD傳感器時，它也會使RTD傳感器略微升溫。 這種現象稱為自熱。 測量電流越高，開啟時間越長，傳感器自熱程度越劇烈。 此外，傳感器的結構及其對周圍環境的熱阻將對自熱產生很大影響。 很明顯，溫度傳感器中的這種自熱會導致很小的測量誤差。

 

測量Pt100傳感器時，測量電流通常最大為1 mA，但可低至100μA甚至更低。 根據標準（如IEC 60751），自熱不得超過傳感器公差規格的25％。

 

PRT傳感器的不同機械結構

 

PRT傳感器通常是非常精密的儀器，不幸的是，精度幾乎毫無例外地與機械強度成反比。 作為一個精確的溫度計，元件內的鉑絲應盡可能自由地隨溫度收縮和膨脹，以避免應變和變形。 缺點是這種傳感器對機械沖擊和振動非常敏感。

 

標準鉑電阻溫度計（SPRT）

 

更精確的標準鉑電阻溫度計（SPRT）傳感器是用于在固定點之間實現ITS-90溫標的儀器。 它們由非常純的（α= 3,926 x 10-3°C-1）鉑制成，導線支架的設計使導線盡可能保持無應變。 由BIPM（Bureau International des Poids et Mesures）出版的“ITS-90的實現指南”定義了SPRT傳感器必須滿足的標準。 其他傳感器不是也不應該被稱為SPRT。 有用于不同應用的玻璃，石英和金屬外殼傳感器。 SPRT對任何類型的加速度都非常敏感，例如最小的沖擊和振動，這限制了它們在實驗室中的作為最高精度測量的應用。

 

部分支持PRT

 

部分支持的PRT是溫度計和機械強度均衡化的傳感器。準確來講，稱之為二等標準或二等參考溫度計 。 由于有一些導線支撐，它們沒有SPRT那么易損了。 如果操作妥當，它們甚至可以在現場應用時，仍然表現出色的穩定性和低滯后性。

 

工業鉑電阻溫度計，IPRTs

 

當導線支座增加時，機械強度增加，但是與漂移和滯后問題相關的應變也增加。 這些傳感器被稱為工業鉑電阻溫度計，IPRT。 完全支持的IPRT具有更多的線纜支持，機械性能更好。 導線完全封裝在陶瓷或玻璃中，使其不易受到振動和機械沖擊。 缺點是長期穩定性差，而且由于傳感鉑與具有不同熱膨脹特性的基板結合在一起，滯后現象大。

 

薄膜

 

最近幾年薄膜PRT發展了很多，現在有更好的產品。它們有多種形式用于不同的應用。鉑箔被濺射到所選的基板上，元件的電阻通常被激光修整到所需的電阻值，并最終被封裝起來進行保護。與導線元件不同，薄膜元件更易于自動化制造過程，這使得它們通常比導線元件便宜。其優點和缺點通常與完全支撐的導線元件相同，薄膜元件通常具有非常低的時間常數，這意味著它們對溫度變化反應非?？?。

 

如上所述，一些制造商已經開發出更好的結合性能和穩健性的技術。

 

其他RTD傳感器

 

其他鉑傳感器

 

盡管Pt100是最常見的鉑電阻傳感器，但還有其他幾種，如Pt25，Pt50，Pt200，Pt500和Pt1000。 這些傳感器之間的主要區別非常容易猜測，即0°C時的電阻，這在傳感器名稱中有所提及。 例如，Pt1000傳感器在0°C時具有1000Ω的電阻。 溫度系數也很重要，因為它會影響其他溫度下的電阻。 如果是Pt1000（385），這意味著它的溫度系數為0.00385°C。

 

其他RTD傳感器

 

盡管鉑傳感器是最常見的RTD傳感器，但也有其他材料制成的傳感器，包括鎳，鎳鐵和銅傳感器。 常見的鎳傳感器包括Ni100和Ni120，鎳鐵傳感器Ni-Fe 604歐姆和銅傳感器Cu10。 這些材料在某些應用中各有優勢。 與貴金屬鉑相比，它們的共同缺點是溫度范圍較窄，容易腐蝕。

 

RTD傳感器也可以用其他材料制成，如金，銀，鎢，銠 – 鐵或鍺。 它們在某些應用中表現優異，但在正常的工業制造中非常罕見。

 

由于RTD傳感器的電阻取決于溫度，因此我們也可以將所有通用的PTC（正溫度系數）和NTC（負溫度系數）傳感器包括在這一類別中。例如用于測量溫度的熱敏電阻和半導體。NTC類型尤其常用于測量溫度。

 

PT100傳感器

 

溫度系數

 

過程工業中最常見的RTD傳感器是PT100傳感器，其在0°C（32°F）時的電阻為100Ω。

 

按照相同的邏輯命名約定，PT200傳感器的電阻為200Ω，而PT1000在0°C（32°F）時的電阻為1000Ω。

 

溫度較高時，PT100傳感器（和其他PT傳感器）的電阻取決于PT100傳感器的種類，因為PT100傳感器有幾個不同的種類，它們的溫度系數略有不同。在全球范圍內，最常見的是“385”。如果沒有提到系數，通常是385。

 

PT100傳感器的溫度系數（用希臘符號α=>α表示）表示為100°C和0°C下的電阻差除以0°C下的電阻乘以100°C。

 

公式非常簡單，但在編寫時聽起來確實有點復雜，所以讓我們把它看作一個公式：

 

 

在這個公式中:

α=溫度系數

R100 = 100°C時的電阻

R0 = 0°C時的電阻

 

來讓我們看一個例子，以用來明確這一點：

 

Pt100在0°C時的電阻為100.00Ω，在100°C時的電阻為138.51。 溫度系數可通過以下方式計算：

 

 

我們得到的結果是0.003851/°C。

或者通常寫成：3.851 x 10-3°C-1

通常將其稱為“385”PT100傳感器，并將其四舍五入。

這也是標準IEC 60751:2008中規定的溫度系數。

 

傳感器元件的溫度系數主要取決于用于制造導線的鉑的純度。 鉑的純度越高，α值越高。 如今獲得非常純凈的鉑金材料并不是問題。 為了制造符合IEC 60751溫度/電阻曲線的傳感器，純鉑必須摻雜合適的雜質，使α值降至3.851 x 10-3°C-1。

 

當使用水的熔點（≈0°C）和沸點（≈100°C）作為參考溫度點時，α值下降，但仍然被用于確定鉑絲的等級。 由于水的沸點實際上是一個比參考溫度點更好的高度計，因此定義導線純度的另一種方法是鎵點（29.7646°C）處的電阻比，這是ITS-90溫度刻度的確定的固定點。該阻力比用希臘小寫字母ρ（rho）描述。

 

 

“385”傳感器的典型ρ值為1.115817，SPRT的典型ρ值為1.11814。 在實踐中，α在很多情況下是最方便的，但也可以宣布ρ。

 

PT100（385）耐溫關系

 

在下圖中，您可以看到溫度決定了PT100（385）傳感器的電阻：

 

 

在觀察這些時，您可以看到Pt100傳感器的電阻 – 溫度關系不是完全線性的，而是有點“彎曲”的關系。

 

下表顯示了幾個點的PT100（385）溫度與電阻數值：

 

 

其他溫度系數不同的PT100傳感器

 

大多數傳感器都是標準化的，但世界各地有不同的標準。PT100傳感器也是這樣。隨著時間的推移，規定了一些不同的標準。在大多數情況下，溫度系數的差異相對較小。

 

作為一個實際例子，我們在Beamex溫度校驗儀中實施的標準來自以下標準：

• IEC 60751
• DIN 43760
• ASTM E 1137
• JIS C1604-1989 alpha 3916, JIS C 1604-1997
• SAMA RC21-4-1966
• GOCT 6651-84, GOST 6651-94
• Minco Table 16-9
• Edison curve #7

 

確保您的測量設備支持您的Pt100傳感器

 

標準Pt100探頭的好處在于，每個傳感器都滿足規格要求，您只需將其插入測量設備（或校驗儀），它將按照規格（傳感器+測量設備）的定義精確測量自身溫度。此外，該過程中的傳感器應該可以互換而無需校準，至少對于不太關鍵的測量而言是可以這樣的。 盡管如此，使用前在某個已知溫度下檢查傳感器仍然是一個好的做法。

 

無論如何，由于不同的標準對Pt100傳感器的規格有點不同，所以測量Pt100傳感器所用的設備必須支持正確的傳感器（溫度系數）。例如，如果您的測量設備僅支持α385，并且您使用的是帶有α391的傳感器，則測量中會出現一些錯誤。這個錯誤重要嗎？在這種情況下（385對391），100°C時的誤差約為1.5°C。因此，我認為這是很重要的。當然，溫度系數之間的差異越小，誤差就越小。

 

因此，請確保您的RTD測量設備支持您正在使用的Pt100傳感器。在大多數情況下，如果PT100沒有顯示溫度系數，它是一個385傳感器。

 

作為一個實例，BEMEX MC6校驗儀和通訊器支持以下基于不同標準的PT100傳感器（括號中的溫度系數）：

• Pt100 (375)
• Pt100 (385)
• Pt100 (389)
• Pt100 (391)
• Pt100 (3926)
• Pt100 (3923)

 

Pt100精度（公差）等級

 

Pt100傳感器有不同的精度等級。最常見的精度等級為AA、A、B和C，其定義見IEC 60751標準。標準為制造商提供了理想的Pt100傳感器的定義。?如果可以構建理想的傳感器，公差等級將變得無關緊要。

 

由于無法調整Pt100傳感器以補償誤差，因此您應購買具有適合應用精度的傳感器。?在具有特定系數的某些測量設備中可以糾正傳感器錯誤，但以后會有詳細討論。

 

不同精度等級根據 IEC 60751:2008):

 

 

也有所謂的1/3 DIN和1/10 DIN Pt100精度等級。它們是標準化的類別，例如在1987年撤銷的DIN 43760:1980-10，在后來的IEC 60751標準或其德語版本DIN EN 60751中沒有給出定義。這些傳感器的公差基于精度等級B傳感器，但誤差的固定部分（0.3°C）除以給定的數字（3或10）。然而，在談論Pt100時，這些術語是一個固定的短語，我們也可以在這里流利地使用它們。這些傳感器的精度等級如下：

 

 

當然，傳感器制造商可以用他們自己定制的精度等級來制造傳感器。IEC 60751標準第5.1.4節規定了如何表示這些特殊公差等級。

 

公式可能難以進行比較，在下表中，精度等級是以溫度（°C）計算的：

 

 

這里值得注意的一點是，即使“1/10 DIN”聽起來很有吸引力，在0°C時具有0.03°C的低容差，但它實際上只能在-40 … + 40°C的窄范圍內比A級好

 

下圖顯示了這些精度等級之間的差異：

 

 

系數

 

精度等級通常用于工業RTD傳感器，但當涉及到最精確的PRT參考傳感器（SPRT，二級標準…）時，這些精度等級不再有效。為了達到這個目的，這些傳感器被制作的盡可能和溫度計一樣好，不匹配任何標準曲線。它們是非常精確的傳感器，具有很好的長期穩定性和很低的滯后性，但這些傳感器是獨立的，因此每個傳感器的溫度/電阻關系略有不同。如果不使用每個傳感器的單獨系數，則不應使用這些傳感器。您可以找到SPRT的一般CvD系數，但這會破壞您所購買的產品性能。如果您只是將一臺100Ω的輔助PRT傳感器（如Beamex RPRT）插入測量標準Pt100傳感器的設備中，可能會得到幾度甚至十度錯誤的結果。在某些情況下，這并不一定重要，但在其他情況下，這可能是藥和毒之間的區別。

 

?因此，這些傳感器必須始終使用適當的系數。

 

如前所述，RTD傳感器不能被“調整”以用于正確測量。因此，需要在用于測量RTD傳感器的設備（例如溫度校驗儀）中進行校正。

 

為了找出系數，首先應該非常精確地校準傳感器。 然后，根據校準結果得出所需方程的系數，將其擬合為代表傳感器的特性電阻/溫度關系。 系數的使用將校正傳感器測量，并使其測量更加精確。 有幾個不同的方程和系數來計算傳感器的溫度阻力。 這些可能是最普遍的：

 

卡倫達·范杜森 ??

 

• 19世紀末，卡倫達提出了一個簡單的二次方程，描述鉑的電阻/溫度特性。后來，范杜森發現在零下需要一個額外的系數。它被稱為卡倫達-凡-杜森方程，CvD。對于α385傳感器，它的性能通常與ITS-90相當，尤其是在溫度范圍不太寬的情況下。如果您的證書表明系數R0，A，B，C，它們是IEC 60751標準格式CvD方程的系數。系數C僅在0°C以下使用，因此如果傳感器未在0°C以下校準，則可能不存在。系數也可以是R0、α、δ和β。它們符合目前仍在使用的CVD方程的歷史使用形式。不管本質上是同一個方程，它們的書寫形式和系數都是不同的。

 

ITS-90

 

• ITS-90是溫標，不是標準?？▊愡_-凡-杜森方程是1927、1948和1968年以前的量表的基礎，但ITS-90帶來了顯著不同的數學結果。在使用SRPTS實現溫標時必須使用ITS-90功能，但與CVD相比，許多較低的αPRT從中受益，尤其是當溫度范圍較寬（幾百度）時。如果您的證書中規定了RTPW或R（0,01）、A4、B4、A7、B7、C7等系數，則它們是ITS-90偏差函數的系數。ITS-90文件沒有為系數或子表達式指定數字符號。它們在NIST技術說明1265“1990年國際溫標指南”中被提出并被廣泛采用。 系數的數量可以變化，子表達式編號為1 … 11。

 

• RTPW，R（0,01°C）或R（273,16 K）是傳感器在0,01°C水三相點的電阻。
• a4和b4是低于零的系數，也可以是abz和bbz，或者只是a和b，意思是“低于零”。
• a7, b7, c7是零以上的系數，也可以是aaz、baz和caz，或者a、b和c，意思是“零以上”。

 

Steinhart-Hart方程

 

• 如果您的傳感器是一個熱敏電阻，您可能在證書中找到Steinhart-Hart方程的系數。熱敏電阻是高度非線性的，方程是對數的。Steinhart-Hart方程已廣泛取代了早期的β方程。通常系數是A、B和C，但也可能有系數D或其他，這取決于方程式的變化。這些系數通常由制造商公布，但也可以進行擬合。

 

找出傳感器系數

 

將Pt100傳感器送至實驗室進行校準和安裝時，必須正確選擇校準點。始終需要0°C或0.01°C點。該值本身是擬合所需的，但通常冰點（0°C）或水三相點（0.01°C）也用于監測傳感器的穩定性，并在校準過程中多次測量。校準點的最小數量與應擬合的系數的數量相同。例如，為了將ITS-90系數a4和b4擬合到零下，需要至少兩個已知的負校準點來求解這兩個未知系數。如果傳感器的使用對于實驗室來說是眾所周知的，那么在這種情況下兩點就足夠了。然而，測量超過必要數量的點是一個很好的做法，因為證書沒有其他方法可以分辨傳感器在校準點之間的行為。例如，如果只有兩個或三個高于零的校準點，那么適用于寬溫度范圍的CvD擬合可能看起來相當好，但是在校準點之間可能存在系統性的百分之幾度殘余誤差，您根本看不到。這也解釋了為什么您可能會發現CvD和ITS-90適合同一傳感器和完全相同校準點的不同校準不確定度。測量點的不確定度沒有區別，但是不同配件的殘差通常會加到總不確定度中。