热敏电阻、RTD、热电偶的原理和特性

不脱发的程序猿

发布于 2022-04-13 18:28:19

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发布于 2022-04-13 18:28:19

1、热敏电阻

热敏电阻是一种传感器电阻，其电阻值随着温度的变化而改变。按照温度系数不同分为正温度系数热敏电阻（PTC thermistor，即 Positive Temperature Coefficient thermistor）和负温度系数热敏电阻（NTC thermistor，即 Negative Temperature Coefficient thermistor）。正温度系数热敏电阻器的电阻值随温度的升高而增大，负温度系数热敏电阻器的电阻值随温度的升高而减小，它们同属于半导体器件。

热敏电阻的主要特点是：

1、灵敏度较高，其电阻温度系数要比金属大10～100倍以上，能检测出10-6℃的温度变化；

2 、工作温度范围宽，常温器件适用于-55℃～315℃，高温器件适用温度高于315℃（目前最高可达到2000℃），低温器件适用于-273℃～-55℃；

3、体积小，能够测量其他温度计无法测量的空隙、腔体及生物体内血管的温度；

4、使用方便，电阻值可在0.1～100kΩ间任意选择；

5、易加工成复杂的形状，可大批量生产；

6、稳定性好、过载能力强。

热敏电阻电阻转温度（Steinhart-Hart方程式），公式如下所示：

参数解析：

T = 温度，单位开
a，b，c = Steinhart-Hart方程式常数
R=电阻，单位欧姆

热敏电阻温度转电阻（Steinhart-Hart方程式），公式如下所示：

参数解析：

R = 电阻值，单位QT=温度，单位开
a， b，c = Steinhart-Hart方程式常数
x, y =温度到电阻换算方程式中用到的Steinhart-Hart因子

2、RTD特性

RTD（Resistance Temperature Detector），电阻温度检测器，是一种特殊的电阻，其阻值会随着温度的升高而变大，随着温度的降低而减小。工业上利用它的这一特性进行温度测量，因此RTD也被俗称为“热电阻”。

并不是所有的金属都适合做成RTD，符合这一特性的材料需要满足如下几个要求：

1、该金属的电阻值与温度变化能呈线性关系;

2、该金属对温度的变化比较敏感，即单位温度变化引起的阻值变化(温度系数)比较大;

3、该金属能够抵抗温度变化造成的疲劳，具有好的耐久性。

符合该要求的金属并不多，常见的RTD材料有：铂（Pt）、镍（Ni）和铜（Cu）。

以铂热电阻为例，根据其电阻值的不同，又可分为PT50、PT100、PT200、PT500和PT1000等。名称中的数值表示热电阻在0℃下的电阻值。比如：PT100，表示该传感器在0℃下的电阻值为100Ω；而PT1000，则表示该传感器在0℃下的电阻值为1000Ω。

根据RTD热电阻的引出线的数量的不同，RTD可分为两线制、三线制和四线制。

两线制RTD的引线是直接在电阻的两端引出两条导线到测温模块上。测温模块采用电桥平衡的原理，RTD作为电桥的一个臂进行测量。两线制RTD的示意图如下所示：

两线制RTD传感器没有考虑引出导线的电阻，误差较大，仅适用于精度要求不高的场合。

为了消除RTD引线对测量结果的影响，许多RTD采用三线制形式。三线制是在两线制的基础上，从电阻的—端引出第三条线，如下图所示：

三线制RTD可以在很大程度上消除传感器引线本身对测量结果的影响，检测精度比两线制有很大的提高。

四线制RTD是在三线制的基础上又增加了一条线，即电阻的两端各有两条线，如下图所示：

四线制RTD可以完全消除引线电阻的影响，精度非常高，一般用在实验室或者对精度要求很高的场合。

RTD的线性度优于热电偶，是目前最精确和最稳定的温度传感器。但由于电阻的变化需要时间，因此其响应速度较慢，同时其价格也相对较贵，适用于对精度有一定要求且成本控制不严的场合。

RTD温度与电阻换算，公式如下所示：

参数解析：

Rrtd = 温度范围内（-200℃<T<850℃）的RTD电阻
R = 对于PT100为100W，对于PT1000为1000W
A0，B0，C0 = Callendar-Van Dusen 常数
T = 温度，单位摄氏度（℃）
RTD电阻与温度换算方程式（T>℃)

这个公式可以转换为以下形式，当T≥0℃时，公式如下所示：

参数解析：

Rrtd = 温度范围内（-200℃ < T < 850℃）的RTD电阻
R = 100W
A0，B0，C0 = Callendar-Van Dusen 常数
T = 温度，单位摄氏度（℃）

针对不同RTD标准的Callendar-Van Dusen系数如下表所示：

举个例子，电阻值为120Ω的 ITS-90 PT100温度是多少?答案如下所示：

当T＜0℃时，公式如下所示：

参数解析：

T = 温度，单位摄氏度（℃)
Rrtd = 温度范围内（T<0℃）的RTD电阻
ai = T<0℃时，将RTD电阻换算为温度的多项式系数

针对5阶RTD电阻至温度换算的系数如下表所示：

举个例子，电阻值为60Ω的 ITS-90 PT100温度是多少?答案如下所示：

之前我做过一款上位机可实现PT100电阻温度转换，将该部分公式代码分享给各位，如下所示：

    # PT100电阻转温度
    def Res_To_Temp(self):
        try:
            pt100_rtd = float(self.lineEdit_pt100_temp1.text())
            
            if pt100_rtd != "":
                # 0到850℃
                if 100 < pt100_rtd <= 390.4811:
                    self.lineEdit_pt100_temp2.setText(format(((-self.A)+(math.sqrt(pow(self.A, 2) - ((4*self.B)*(1 - (pt100_rtd/self.R0))))))/(2*self.B), '.4f'))
                # -200到0℃
                elif 18.5201 <= pt100_rtd < 100: 
                    self.lineEdit_pt100_temp2.setText(format((-242.02) + (2.2228 * pt100_rtd) + (0.0025859 * pow(pt100_rtd, 2)) 
                    - (0.000004826 * pow(pt100_rtd, 3)) - (0.000000028183 * pow(pt100_rtd, 4)) 
                    + (0.00000000015243 * pow(pt100_rtd, 5)), '.4f'))
                # 0℃
                elif pt100_rtd == 100:
                    self.lineEdit_pt100_temp2.setText("0")
                else:
                    QMessageBox.critical(self, "阻值范围错误", "请输入正确阻值！")
                    
        except:
            QMessageBox.critical(self, "类型错误", "请输入正确数据类型！")

3、热电偶

热电偶（thermocouple）是把两种不同材料的金属的一端连接起来，利用热电效应来测量温度的传感器，热电效应是热电偶的物理基础（当给一段金属丝的两端施加不同的温度时，金属丝的两端会产生电动势，闭合回路后金属丝中会有电流流过。这种现象被称为热电效应，也称为塞贝克效应）。

通过下图理解热电偶的工作原理，用两种不同颜色表示两种不同的金属材料，A、B端在常温环境中用于测温端口，称为冷端，在C端进行加热。由于热电效应，在 A端和C端以及B端和C端之间温度不同，所以会产生电势差。而因为两种金属材料的不同，会导致这两个电势差不一样，最终导致了A端和B端也有了电势差，通过测量这两个端的电势差，根据热电效应的线性关系就可以得出A（B）端和C端的温差。再通过一个已知温度的校准值和两种金属的线性系数，就可以计算出任意输出电势差对应的温度值了。

常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。所谓标准热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、允许误差、并有统一的标准分度表的热电偶，它有与其配套的显示仪表可供选用。非标准化热电偶在使用范围或数量级上均不及标准化热电偶，一般也没有统一的分度表，主要用于某些特殊场合的测量。标准化热电偶中国从1988年1月1日起，热电偶和热电阻全部按IEC国际标准生产，并指定S、B、E、K、R、J、T七种标准化热电偶为中国统一设计型热电偶。