Pt100 温度传感器 – 需要了解的有用事项

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作者:Heikki Laurila  发布时间:2018年4月17号 下午3:47:18

 

Pt100温度传感器是过程工业中非常常见的传感器。 这篇博客文章分享了许多关于Pt100传感器有用和实用的知识。包含有关RTD和PRT传感器的信息,不同的Pt100机械结构,温度-电阻关系,温度系数,精度等级等等。

 

不久前我写了一篇关于热电偶的文章,所以我认为现在是时候写RTD温度传感器了,尤其是Pt100传感器,这是过程工业中非常常见的温度传感器。 由于有很多有用的信息可以在Pt100传感器上共享,因此这篇博客的篇幅很长。 我希望您喜欢它,并从中学到一些东西。 所以让我们开始吧!

 

目录

 

由于这篇文章很长,这里有一篇目录,可以帮助您查看包含的内容:

 

RTD传感器

PRT传感器

PRT与热电偶

测量RTD / PRT传感器

测量电流

自热

PRT传感器的不同机械结构

  • SPRT
  • 部分支持PRT
  • 工业铂电阻温度计,IPRT
  • 薄膜

其他RTD传感器

  • 其他铂传感器
  • 其他RTD传感器

Pt100传感器

  • 温度系数
  • Pt100(385)耐温关系
  • 其他Pt100传感器具有不同的温度系数
  • 确保您的测量设备支持您的Pt100传感器

Pt100精度(公差)等级

系数

  • 卡德伦公式
  • ITS-90
  • Steinhart-Hart公式

 

在术语中,通常使用“sensor”传感器和“probe”传感器两个词,本文主要使用“sensor”传感器。

 

另外,人们一般都写成“Pt100”和“Pt-100”,我将主要使用Pt100格式。 (是的,我知道IEC / DIN 60751使用Pt-100格式,但我已经习惯了用Pt100格式)。

 

RTD传感器

 

由于Pt100是RTD传感器,让我们先来看看RTD传感器是什么。

 

缩写RTD来自“电阻式温度传感器”。它是一种温度传感器,其电阻取决于温度; 当温度变化时,传感器的电阻会发生变化。 因此,通过测量传感器的电阻,从而测量温度。

 

RTD传感器通常由铂,铜,镍合金或各种金属氧化物制成。

 

PRT传感器

 

铂是RTD传感器最常用的材料。 铂具有可靠性,可重复性和线性的耐温关系。 由铂制成的RTD传感器称为PRT,“Platinum Resistance Thermometer”。在过程工业中最常用的铂PRT传感器是Pt100传感器。 名称中的数字“100”表示在0°C(32°F)温度下电阻为100Ω。 稍后将详细介绍。

 

PRT与热电偶

 

在之前的博客文章中,我们讨论了热电偶。 热电偶还可用作许多工业应用中的温度传感器。 那么,热电偶和PRT传感器之间的区别是什么? 以下是热电偶和PRT传感器的简短比较:

 

热电偶:

 

  • 可用于测量更高的温度
  • 测温范围广
  • 便宜
  • 自供电,不需要外激励
  • 准确度较低
  • 需要冷端补偿
  • 引线必须是适用于热电偶类型的材料,并且必须注意测量电路中所有接头的温度均匀性
  • 导线的不均匀性可能会导致误差

 

PRTs传感器:

 

  • 比热电偶更高的准确性,更好的线性和稳定性
  • 不像热电偶那样需要冷端补偿
  • 引线可以是铜线
  • 比热电偶更贵
  • 需要适合传感器类型的已知激励电流
  • 易损

 

简言之,您可以说热电偶更适合高温测量,PRT适用于要求更高精度的测量
有关热电偶和冷端补偿的更多信息,请参阅此博客文章:热电偶冷(参考)端补偿

 

RTD / PRT传感器测量

 

由于RTD传感器的电阻随温度的变化而变化,因此很明显,在测量RTD传感器时,您需要测量电阻。 您可以测量以欧姆为单位的电阻,然后根据所使用的RTD类型的转换表(或公式)将其手动转换为温度测量值。

 

现在,最常见的情况是,当在设备中选择正确的RTD类型时(假设它支持使用的RTD类型),使用自动将测量电阻转换为温度读数的温度测量仪器或校准器。当然,如果在设备中选择了错误的RTD传感器类型,将导致错误的温度测量结果。

 

有不同的方法来测量电阻。 您可以使用2,3或4线连接。 2线连接仅适用于非常低精度的测量(主要是故障排除),因为任何导线电阻或连接电阻都会给测量带来误差。 正常情况下,任何的过程测量都应使用3线或4线测量。

 

例如,IEC 60751标准规定,任何优于B级精度的传感器必须使用3线或4线测量进行测量。 本文后面将详细介绍精度等级。

 

记住使用3或4线测量,您就可以继续往下看了。

 

当然,对于某些高阻抗热敏电阻,Pt1000传感器或其他高阻抗传感器,2线测量引起的额外误差可能不会太大。

 

测量电流

 

正如上述博文链接中解释的那样,当设备测量电阻时,它通过电阻发送小而精确的电流,然后测量在其上产生的电压降。 然后,可以通过根据欧姆定律(R = U / I)将电压降除以电流来计算电阻。

 

自热

 

当测量电流通过RTD传感器时,它也会使RTD传感器略微升温。 这种现象称为自热。 测量电流越高,开启时间越长,传感器自热程度越剧烈。 此外,传感器的结构及其对周围环境的热阻将对自热产生很大影响。 很明显,温度传感器中的这种自热会导致很小的测量误差。

 

测量Pt100传感器时,测量电流通常最大为1 mA,但可低至100μA甚至更低。 根据标准(如IEC 60751),自热不得超过传感器公差规格的25%。

 

PRT传感器的不同机械结构

 

PRT传感器通常是非常精密的仪器,不幸的是,精度几乎毫无例外地与机械强度成反比。 作为一个精确的温度计,元件内的铂丝应尽可能自由地随温度收缩和膨胀,以避免应变和变形。 缺点是这种传感器对机械冲击和振动非常敏感。

 

标准铂电阻温度计(SPRT)

 

更精确的标准铂电阻温度计(SPRT)传感器是用于在固定点之间实现ITS-90温标的仪器。 它们由非常纯的(α= 3,926 x 10-3°C-1)铂制成,导线支架的设计使导线尽可能保持无应变。 由BIPM(Bureau International des Poids et Mesures)出版的“ITS-90的实现指南”定义了SPRT传感器必须满足的标准。 其他传感器不是也不应该被称为SPRT。 有用于不同应用的玻璃,石英和金属外壳传感器。 SPRT对任何类型的加速度都非常敏感,例如最小的冲击和振动,这限制了它们在实验室中的作为最高精度测量的应用。

 

部分支持PRT

 

部分支持的PRT是温度计和机械强度均衡化的传感器。准确来讲,称之为二等标准或二等参考温度计 。 由于有一些导线支撑,它们没有SPRT那么易损了。 如果操作妥当,它们甚至可以在现场应用时,仍然表现出色的稳定性和低滞后性。

 

工业铂电阻温度计,IPRTs

 

当导线支座增加时,机械强度增加,但是与漂移和滞后问题相关的应变也增加。 这些传感器被称为工业铂电阻温度计,IPRT。 完全支持的IPRT具有更多的线缆支持,机械性能更好。 导线完全封装在陶瓷或玻璃中,使其不易受到振动和机械冲击。 缺点是长期稳定性差,而且由于传感铂与具有不同热膨胀特性的基板结合在一起,滞后现象大。

 

薄膜

 

最近几年薄膜PRT发展了很多,现在有更好的产品。它们有多种形式用于不同的应用。铂箔被溅射到所选的基板上,元件的电阻通常被激光修整到所需的电阻值,并最终被封装起来进行保护。与导线元件不同,薄膜元件更易于自动化制造过程,这使得它们通常比导线元件便宜。其优点和缺点通常与完全支撑的导线元件相同,薄膜元件通常具有非常低的时间常数,这意味着它们对温度变化反应非常快。

 

如上所述,一些制造商已经开发出更好的结合性能和稳健性的技术。

 

其他RTD传感器

 

其他铂传感器

 

尽管Pt100是最常见的铂电阻传感器,但还有其他几种,如Pt25,Pt50,Pt200,Pt500和Pt1000。 这些传感器之间的主要区别非常容易猜测,即0°C时的电阻,这在传感器名称中有所提及。 例如,Pt1000传感器在0°C时具有1000Ω的电阻。 温度系数也很重要,因为它会影响其他温度下的电阻。 如果是Pt1000(385),这意味着它的温度系数为0.00385°C。

 

其他RTD传感器

 

尽管铂传感器是最常见的RTD传感器,但也有其他材料制成的传感器,包括镍,镍铁和铜传感器。 常见的镍传感器包括Ni100和Ni120,镍铁传感器Ni-Fe 604欧姆和铜传感器Cu10。 这些材料在某些应用中各有优势。 与贵金属铂相比,它们的共同缺点是温度范围较窄,容易腐蚀。

 

RTD传感器也可以用其他材料制成,如金,银,钨,铑 – 铁或锗。 它们在某些应用中表现优异,但在正常的工业制造中非常罕见。

 

由于RTD传感器的电阻取决于温度,因此我们也可以将所有通用的PTC(正温度系数)和NTC(负温度系数)传感器包括在这一类别中。例如用于测量温度的热敏电阻和半导体。NTC类型尤其常用于测量温度。

 

PT100传感器

 

温度系数

 

过程工业中最常见的RTD传感器是PT100传感器,其在0°C(32°F)时的电阻为100Ω。

 

按照相同的逻辑命名约定,PT200传感器的电阻为200Ω,而PT1000在0°C(32°F)时的电阻为1000Ω。

 

温度较高时,PT100传感器(和其他PT传感器)的电阻取决于PT100传感器的种类,因为PT100传感器有几个不同的种类,它们的温度系数略有不同。在全球范围内,最常见的是“385”。如果没有提到系数,通常是385。

 

PT100传感器的温度系数(用希腊符号α=>α表示)表示为100°C和0°C下的电阻差除以0°C下的电阻乘以100°C。

 

公式非常简单,但在编写时听起来确实有点复杂,所以让我们把它看作一个公式:

 

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在这个公式中:

α=温度系数

R100 = 100°C时的电阻

R0 = 0°C时的电阻

 

来让我们看一个例子,以用来明确这一点:

 

Pt100在0°C时的电阻为100.00Ω,在100°C时的电阻为138.51。 温度系数可通过以下方式计算:

 

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我们得到的结果是0.003851/°C。

或者通常写成:3.851 x 10-3°C-1

通常将其称为“385”PT100传感器,并将其四舍五入。

这也是标准IEC 60751:2008中规定的温度系数。

 

传感器元件的温度系数主要取决于用于制造导线的铂的纯度。 铂的纯度越高,α值越高。 如今获得非常纯净的铂金材料并不是问题。 为了制造符合IEC 60751温度/电阻曲线的传感器,纯铂必须掺杂合适的杂质,使α值降至3.851 x 10-3°C-1。

 

当使用水的熔点(≈0°C)和沸点(≈100°C)作为参考温度点时,α值下降,但仍然被用于确定铂丝的等级。 由于水的沸点实际上是一个比参考温度点更好的高度计,因此定义导线纯度的另一种方法是镓点(29.7646°C)处的电阻比,这是ITS-90温度刻度的确定的固定点。该阻力比用希腊小写字母ρ(rho)描述。

 

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“385”传感器的典型ρ值为1.115817,SPRT的典型ρ值为1.11814。 在实践中,α在很多情况下是最方便的,但也可以宣布ρ。

 

PT100(385)耐温关系

 

在下图中,您可以看到温度决定了PT100(385)传感器的电阻:

 

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在观察这些时,您可以看到Pt100传感器的电阻 – 温度关系不是完全线性的,而是有点“弯曲”的关系。

 

下表显示了几个点的PT100(385)温度与电阻数值:

 

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其他温度系数不同的PT100传感器

 

大多数传感器都是标准化的,但世界各地有不同的标准。PT100传感器也是这样。随着时间的推移,规定了一些不同的标准。在大多数情况下,温度系数的差异相对较小。

 

作为一个实际例子,我们在Beamex温度校验仪中实施的标准来自以下标准:

  • 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

 

确保您的测量设备支持您的Pt100传感器

 

标准Pt100探头的好处在于,每个传感器都满足规格要求,您只需将其插入测量设备(或校验仪),它将按照规格(传感器+测量设备)的定义精确测量自身温度。此外,该过程中的传感器应该可以互换而无需校准,至少对于不太关键的测量而言是可以这样的。 尽管如此,使用前在某个已知温度下检查传感器仍然是一个好的做法。

 

无论如何,由于不同的标准对Pt100传感器的规格有点不同,所以测量Pt100传感器所用的设备必须支持正确的传感器(温度系数)。例如,如果您的测量设备仅支持α385,并且您使用的是带有α391的传感器,则测量中会出现一些错误。这个错误重要吗?在这种情况下(385对391),100°C时的误差约为1.5°C。因此,我认为这是很重要的。当然,温度系数之间的差异越小,误差就越小。

 

因此,请确保您的RTD测量设备支持您正在使用的Pt100传感器。在大多数情况下,如果PT100没有显示温度系数,它是一个385传感器。

 

作为一个实例,BEMEX MC6校验仪和通讯器支持以下基于不同标准的PT100传感器(括号中的温度系数):

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

 

Pt100精度(公差)等级

 

Pt100传感器有不同的精度等级。最常见的精度等级为AA、A、B和C,其定义见IEC 60751标准。标准为制造商提供了理想的Pt100传感器的定义。 如果可以构建理想的传感器,公差等级将变得无关紧要。

 

由于无法调整Pt100传感器以补偿误差,因此您应购买具有适合应用精度的传感器。 在具有特定系数的某些测量设备中可以纠正传感器错误,但以后会有详细讨论。

 

不同精度等级根据 IEC 60751:2008):

 

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也有所谓的1/3 DIN和1/10 DIN Pt100精度等级。它们是标准化的类别,例如在1987年撤销的DIN 43760:1980-10,在后来的IEC 60751标准或其德语版本DIN EN 60751中没有给出定义。这些传感器的公差基于精度等级B传感器,但误差的固定部分(0.3°C)除以给定的数字(3或10)。然而,在谈论Pt100时,这些术语是一个固定的短语,我们也可以在这里流利地使用它们。这些传感器的精度等级如下:

 

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当然,传感器制造商可以用他们自己定制的精度等级来制造传感器。IEC 60751标准第5.1.4节规定了如何表示这些特殊公差等级。

 

公式可能难以进行比较,在下表中,精度等级是以温度(°C)计算的:

 

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这里值得注意的一点是,即使“1/10 DIN”听起来很有吸引力,在0°C时具有0.03°C的低容差,但它实际上只能在-40 … + 40°C的窄范围内比A级好

 

下图显示了这些精度等级之间的差异:

 

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系数

 

精度等级通常用于工业RTD传感器,但当涉及到最精确的PRT参考传感器(SPRT,二级标准…)时,这些精度等级不再有效。为了达到这个目的,这些传感器被制作的尽可能和温度计一样好,不匹配任何标准曲线。它们是非常精确的传感器,具有很好的长期稳定性和很低的滞后性,但这些传感器是独立的,因此每个传感器的温度/电阻关系略有不同。如果不使用每个传感器的单独系数,则不应使用这些传感器。您可以找到SPRT的一般CvD系数,但这会破坏您所购买的产品性能。如果您只是将一台100Ω的辅助PRT传感器(如Beamex RPRT)插入测量标准Pt100传感器的设备中,可能会得到几度甚至十度错误的结果。在某些情况下,这并不一定重要,但在其他情况下,这可能是药和毒之间的区别。

 

 因此,这些传感器必须始终使用适当的系数。

 

如前所述,RTD传感器不能被“调整”以用于正确测量。因此,需要在用于测量RTD传感器的设备(例如温度校验仪)中进行校正。

 

为了找出系数,首先应该非常精确地校准传感器。 然后,根据校准结果得出所需方程的系数,将其拟合为代表传感器的特性电阻/温度关系。 系数的使用将校正传感器测量,并使其测量更加精确。 有几个不同的方程和系数来计算传感器的温度阻力。 这些可能是最普遍的:

 

卡伦达·范杜森   

 

  • 19世纪末,卡伦达提出了一个简单的二次方程,描述铂的电阻/温度特性。后来,范杜森发现在零下需要一个额外的系数。它被称为卡伦达-凡-杜森方程,CvD。对于α385传感器,它的性能通常与ITS-90相当,尤其是在温度范围不太宽的情况下。如果您的证书表明系数R0,A,B,C,它们是IEC 60751标准格式CvD方程的系数。系数C仅在0°C以下使用,因此如果传感器未在0°C以下校准,则可能不存在。系数也可以是R0、α、δ和β。它们符合目前仍在使用的CVD方程的历史使用形式。不管本质上是同一个方程,它们的书写形式和系数都是不同的。

 

ITS-90

 

  • ITS-90是温标,不是标准。卡伦达-凡-杜森方程是1927、1948和1968年以前的量表的基础,但ITS-90带来了显著不同的数学结果。在使用SRPTS实现温标时必须使用ITS-90功能,但与CVD相比,许多较低的αPRT从中受益,尤其是当温度范围较宽(几百度)时。如果您的证书中规定了RTPW或R(0,01)、A4、B4、A7、B7、C7等系数,则它们是ITS-90偏差函数的系数。ITS-90文件没有为系数或子表达式指定数字符号。它们在NIST技术说明1265“1990年国际温标指南”中被提出并被广泛采用。 系数的数量可以变化,子表达式编号为1 … 11。

 

  • RTPW,R(0,01°C)或R(273,16 K)是传感器在0,01°C水三相点的电阻。
  • a4和b4是低于零的系数,也可以是abz和bbz,或者只是a和b,意思是“低于零”。
  • a7, b7, c7是零以上的系数,也可以是aaz、baz和caz,或者a、b和c,意思是“零以上”。

 

Steinhart-Hart方程

 

  • 如果您的传感器是一个热敏电阻,您可能在证书中找到Steinhart-Hart方程的系数。热敏电阻是高度非线性的,方程是对数的。Steinhart-Hart方程已广泛取代了早期的β方程。通常系数是A、B和C,但也可能有系数D或其他,这取决于方程式的变化。这些系数通常由制造商公布,但也可以进行拟合。

 

找出传感器系数

 

将Pt100传感器送至实验室进行校准和安装时,必须正确选择校准点。始终需要0°C或0.01°C点。该值本身是拟合所需的,但通常冰点(0°C)或水三相点(0.01°C)也用于监测传感器的稳定性,并在校准过程中多次测量。校准点的最小数量与应拟合的系数的数量相同。例如,为了将ITS-90系数a4和b4拟合到零下,需要至少两个已知的负校准点来求解这两个未知系数。如果传感器的使用对于实验室来说是众所周知的,那么在这种情况下两点就足够了。然而,测量超过必要数量的点是一个很好的做法,因为证书没有其他方法可以分辨传感器在校准点之间的行为。例如,如果只有两个或三个高于零的校准点,那么适用于宽温度范围的CvD拟合可能看起来相当好,但是在校准点之间可能存在系统性的百分之几度残余误差,您根本看不到。这也解释了为什么您可能会发现CvD和ITS-90适合同一传感器和完全相同校准点的不同校准不确定度。测量点的不确定度没有区别,但是不同配件的残差通常会加到总不确定度中。