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：
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：
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。
“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：
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：
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):
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：
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：
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：
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。
