铂热电阻温度传感器图片

1 基本原理

  电流的本质是导体中的自由电荷(电子)在电场力的作用下做有规则的定向移动。对于一些特殊金属导体,金属金属中存在大量的自由电子,温度越高电子自由运动越明显,阻碍电子的定向移动,即是该金属电阻增大,通过该金属的电流减少。当然,也存在一些金属,随着温度升高,阻值变小。


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  利用热电阻做成的温度传感器称为RTD,即是Resistance Temperature Detector(电阻温度探测器)。

2 铂电阻

  铂热电阻,其阻值与温度成正比例,即随着温度升高而升高;反之亦然。常用作温度测量的铂电阻有PT10、PT100、PT1000。PT10/PT100/PT1000表示该电阻在0℃时,其阻值为10Ω/100Ω/1000Ω,后两者更常用。铂电阻能够作为温度测量的传感器,因为其具备独有的特点和特性:


温度与阻值接近线性关系

精度高

可靠性好

热响应快

测量温度范围广,铂电阻可以实现-200℃~+800℃测量

注:

铜电阻一般测量范围约为-40℃~140℃。



  铂电阻阻值与温度关系可以用公式表示:

R t = R t 0 [ 1 + α ( t − t 0 ) ] Rt=Rt0[1+α(t-t0)]

Rt=Rt0[1+α(t−t0)]


  Rt为温度【t】时的阻值;Rt0为温度【t0】(通常t0=0℃)时对应电阻值;α为温度系数。



2.1 铂电阻测温原理

  铂电阻测温,最终是通过测量出当前铂电阻的阻值,换算为实际温度值。因此,基本原理是利用欧姆定律实现,有两种方式。


恒流法,以一个恒定电流通过铂电阻,通过测量铂电阻两端电压,利用欧姆定律计算出铂电阻阻值image.png




给定已知恒定电流【I】


通过ADC测量铂电阻两端电压值【V】


通过欧姆定律I=U/R计算出铂电阻阻值【Rpt】


R p t = V / I Rpt = V/I

Rpt=V/I




分压法,以一固定阻值电阻与铂电阻串联,测量该电阻两端电压,利用欧姆定律计算出电流;然后计算铂电阻阻值



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给定一电源源【Vcc】


通过ADC测量固定阻值电阻R0两端电压值【V0】


通过ADC测量铂电阻两端电压值【V】


通过欧姆定律I=U/R计算出电流【I】和铂电阻阻值【Rpt】

I = V 0 / R 0 I=V0/R0

I=V0/R0


R p t = V / I Rpt=V/I

Rpt=V/I



  根据以上电路图,不论是恒流源法还是分压法,都是基于欧姆定律,而铂电阻本身存在一定长度的线材,测量出来的阻值实质上是铂电阻阻值加两导线阻值【Rpt+RL1+RL2】,线材本身的阻值的引入会影响实际温度的测量。为解决导线电阻影响问题,引入了三线铂电阻、四线铂电阻。



2.2 铂电阻类型和测量方法

  铂电阻作为温度测量传感器,根据导线数目不同,分为两线式、三线式、四线式。



2.2.1 两线式铂电阻

  两线式铂电阻,即是电阻的两端各接一个导线,这种类型的铂电阻用来测量温度,误差是最大的,因为引入了两段导线的阻值。



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  两线铂电阻优点是引线简单,检测电路复杂度低,但测量误差比较大。两线式铂电阻适合测温精度要求不高、导线长度较短的场合。



2.2.2 三线式铂电阻

   三线式铂电阻,一端引线为两根线,另一端引线为一根的方式。在制作工艺上,三根导线材料成分、横截面积、长度等参数保持一致,这样测量时可以消除导线内阻引入的误差。


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  如上图,分别对铂电阻导线1和导线2给予一相同的恒定电流源【I】,导线3用于电流导流。如果导线特性都相同,导线1和导线2的压差相同,测得的电压【V】即为铂电阻两端的电压。进而准确求出铂电阻阻值。

  三线式铂电阻是比较常用的,测量精度要高于两线式,前提是三根导线阻值、特性相同。三线铂式电阻适合大部分场合,但仍然存在一定的误差,因为导线内阻不可能做到完全一致。高精度测量,则需选择四线式铂电阻。



2.2.3 四线式铂电阻

   四线式铂电阻,电阻的两端引线都为两根线,两端对向为一组线;其中一组用于电流道通,称为电流线;另外一组为测量线,用于测量电阻阻值。四线铂电阻能够严格消除导线内阻引入的误差,无论导线的特性是否完全相等。


  如下图,为一个四线式铂电阻。

    * 导线1和导线4为电流线

    * 导线2和导线3为测量线
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  对于四线式铂电阻,给予电流线一恒定电流源,测量线检测到的电压即为铂电阻实际电压,根据欧姆定律即可精确计算阻值,也就得出准确的温度。



  四线式铂电阻可以完全消除导线内阻的影响,成本高,适用于高精度测量场合。




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