RTD溫度傳感器在選型和應(yīng)用時的注意事項

RTD（電阻溫度探測器）是一種傳感器，其阻值會隨著溫度的升高而變大，隨著溫度的降低而減小。RTD器件以其精確性和可重復(fù)性而著稱，且擁有-200°C至850°C非常寬的工作溫度范圍，因此在工業(yè)自動化、儀器儀表、煤層氣和醫(yī)療設(shè)備等多種不同的終端應(yīng)用中起著重要作用。

熱敏電阻（NTC/PTC）與RTD相似，阻值隨著溫度變化而變化。熱敏電阻通常由聚合物或陶瓷材料制成。而RTD往往用純金屬制成。大多數(shù)情況下，熱敏電阻比RTD便宜，但精度也較差。有關(guān)兩者的更多技術(shù)信息，可以參看：四類常見溫度傳感器的選型。

那么，RTD溫度傳感器在選型和應(yīng)用時，有哪些注意事項呢？本文將做一個歸納。

材料

不是所有的金屬都適合做成RTD，符合這一特性的材料需要滿足如下幾個要求：

1. 該金屬的阻值與溫度呈線性關(guān)系；

2. 該金屬對溫度的變化比較敏感，即單位溫度變化引起的阻值變化（溫度系數(shù)）比較大；

3. 該金屬能夠抵抗溫度變化造成的疲勞，具有好的耐久性；

滿足這些要求的金屬材料不多，常見的RTD材料有：鉑（Pt）、鎳（Ni）和銅（Cu）等。

阻值與溫度的關(guān)系

一般來說，RTD阻值與溫度成線性關(guān)系。這里需要關(guān)注兩個參數(shù)：0℃時電阻以及溫度系數(shù)α。

0℃時電阻

0℃時電阻，即0℃時RTD對應(yīng)的阻值。結(jié)合材料與0℃時電阻，可分為Pt100、Pt200、Pt500和Pt1000等。比如：Pt100，表示該傳感器在0℃下的電阻值為100Ω；而Pt1000，則表示該傳感器在0℃下的電阻值為1000Ω。

不同類型RTD對應(yīng)溫度范圍，如下表所示：

（數(shù)據(jù)來源：ADI）

對于RTD阻值的測量，通常的做法是，給于RTD一個恒定的電流源，然后使用ADC來檢測兩端電壓，從而得出該RTD阻值。也就是說，相同電流作用下，比起使用Pt100，使用Pt1000靈敏度將可以提高十倍，但同時ADC檢測到的電壓也會提高10倍。具體怎么選，我們還需要結(jié)合ADC等其他器件綜合考量。

溫度系數(shù)α

RTD熱電阻在不同溫度下的阻值可以用公式：R= R0 （1+At）來近似計算。其中：

1）R0表示RTD在0℃下的電阻值；

2）A稱為溫度系數(shù)，表示單位溫度下電阻的變化值；

3）t表示測量溫度，單位為℃；

溫度系數(shù)越大，代表傳感器對溫度越敏感。

對于Pt材料的RTD， 要達到更精確的電阻溫度擬合，可以參考DINEN 60751公式：

工作溫度范圍與精度

一般原廠產(chǎn)品出廠，都會有校準(zhǔn)溫度（通常是0℃），隨著溫度的變化，離校準(zhǔn)溫度越遠，公差變化越大。而精度是在某一溫度范圍內(nèi)可以達到。我們在設(shè)計時，需要把這點考慮進去。 我們以TE NB-PTCO-011為例來說明：數(shù)據(jù)手冊中給出，0.15%是在溫度范圍-30℃到300℃內(nèi)實現(xiàn)的。

RTD接線配置

市場上有三種不同的RTD布線配置（二線制，三線制，四線制）。

對于三線制和四線制，可以有效消除引線上電阻對于測量的影響。其原理是把測量回路和供電回路分開，測量回路中引線電流的小到忽略不計，從而有效消除引線上電阻對于測量的影響。

更多內(nèi)容，請看下面帖子：阻值太低，無法測量？來試試開爾文測試吧。

RTD應(yīng)用實例：比率測量

對于RTD， 比率配置是一種合適且經(jīng)濟高效的解決方案。我們使用四線制RTD作為一個例子進行說明。

下圖紅色箭頭方向是激勵源的電流路徑，分別流經(jīng)傳感器電阻和一個精密的參考電阻。然后分別測量傳感器電阻和參考電阻兩端的電壓。這么做的好處是，激勵源不需要很精確，給予傳感器電阻和參考電阻一個相同的電流，然后比較這兩電阻的電壓值。

直接選用支持比率測量的ADC，比如ADI AD7124，是一個Σ-Δ ADC （Sigma-Delta），帶有可編程增益放大器、激勵源，可以大大簡化RTD設(shè)計。

使用Σ-Δ ADC的另一個好處是，由于Σ-Δ ADC對模擬輸入進行過采樣，使得濾波器的設(shè)計大大簡化，只需簡單的單極RC濾波器即可。

國家電網(wǎng)也可能產(chǎn)生50Hz/60Hz及其倍數(shù)頻率的噪聲干擾。一些ADC會自帶濾波器，比如ADI AD7124自帶濾波器選項，可以針對50 Hz/60 Hz頻率濾波，但該濾波會對ADC輸出數(shù)據(jù)速度產(chǎn)生影響。

RTD的快速選型

通過Digi-Key網(wǎng)站中的產(chǎn)品參數(shù)篩選功能，可以快速搜索到我們設(shè)計所需的RTD及其相關(guān)產(chǎn)品。

Digi-Key電阻溫度檢測器RTD

Digi-Key提供了豐富的產(chǎn)品參數(shù)選項， 包括RTD的0℃時電阻、材料、溫度系數(shù)、工作溫度、精度等。

Digi-Key溫度傳感器專用ADC

更多溫度傳感器相關(guān)的ADC的選擇，可以在Digi-Key網(wǎng)站中【數(shù)據(jù)采集- 模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）】頁面下的特性欄中選擇“溫度傳感器特性”。

ADI RTD開發(fā)板

EVAL-AD7124-4SDZEVAL-AD7124-8SDZ

使用IC： AD7124-4

24 位

采樣率19.2k

使用IC： AD7124-8

24 位

采樣率19.2k

這兩塊開發(fā)板支持連接母板EVAL-SDP-CB1Z，再通過USB連接到PC電腦，然后就可在PC電腦上進行控制以及數(shù)據(jù)分析。使用開發(fā)板可以讓開發(fā)者更快上手，從而縮短研發(fā)時間。

本文小結(jié)

一個好的RTD溫度傳感器應(yīng)用設(shè)計，往往需要整體考慮。不僅要留意RTD本身的材料、溫度范圍、精度等參數(shù)，還要根據(jù)測量方法，將周邊器件（比如ADC）、接線配置等要素放在一起考慮。Digi-Key網(wǎng)站的參數(shù)篩選功能，可以幫助大家節(jié)省選型時間，事半功倍。

責(zé)任編輯：haq