温度传感器介绍

介绍一下在工业领域非常常见且重要的温度传感器——PT100。

一、PT100 是什么？

PT100 是一种铂热电阻温度传感器。它的名称揭示了其核心特性：

PT： 代表其敏感元件由铂（Platinum）制成。铂是一种贵金属，具有化学性质稳定、耐腐蚀、重复性好、精度高等优点。

100： 代表它在 0°C 时的标准电阻值为 100 欧姆（Ω）。

简单来说，PT100 就是利用高纯度铂丝的电阻值随温度变化而变化的特性来测量温度的。这种变化关系非常稳定且近乎线性，使得PT100能够提供高精度的温度测量。

二、工作原理

其核心工作原理是基于金属导体的电阻-温度效应：绝大多数金属的电阻值会随着温度的升高而增加，随着温度的降低而减小。

对于铂这种金属，其电阻值与温度之间的关系（尤其是在 -200°C 至 +850°C 的范围内）可以用一个非常的公式来描述（例如 Callendar-Van Dusen 方程）。在实际应用中，我们通常使用国际标准化的电阻-温度分度表来查询不同电阻值对应的具体温度。

三、主要技术特点

优点：

1.高精度和高稳定性： 这是PT100的优点。其长期稳定性和重复性误差非常小，适合需要测量的场合。

2.宽测量范围： 通常可测量 -200°C 至 +850°C 的范围，某些特殊结构的PT100甚至能到+1000°C以上。

3.良好的线性度： 其电阻与温度的关系曲线比热电偶等其他传感器更接近直线，这使得信号处理和数据计算相对简单。

4.互换性好： 由于是标准化产品，不同制造商生产的符合国际标准的PT100可以相互替换，无需重新校准系统。

缺点：

1.成本较高： 相比于热电偶和热敏电阻（NTC/PTC），其制造成本更高，因为使用了贵金属铂。

2.需要外部激励： 需要提供一个恒流源或恒压源来激励传感器，通过测量其上的电压降来推算电阻值，从而得到温度。这增加了电路的复杂性。

3.自热效应： 激励电流流过传感器时会产生热量（I²R），可能导致测量值略高于实际温度。因此，需要选择适当的激励电流大小（通常为1mA或更小）来小化这种影响。

四、接线方式（2线、3线、4线制）

这是PT100应用中的一个关键概念，不同的接线方式旨在消除引线电阻对测量精度的影响。

2线制：

●方式： 两根导线同时用于提供激励电流和测量电压。

●缺点： 引线本身的电阻（R_lead）也会被测量进去，导致测量值 R_measured = R_PT100 + 2 * R_lead，精度。

●应用： 用于对精度要求不高的场合，或者引线非常短的情况。

3线制（常用）：

●方式： 使用三根相同材质、相同长度和粗细的导线。其中两根用于提供激励电流，第三根用于测量电压。

●原理： 通过电路设计（通常是惠斯通电桥），可以假设三根引线的电阻相等，从而抵消两根电流引线电阻带来的误差。

●优点： 在工业现场中常见，能在成本和精度之间取得良好平衡，有效减少引线电阻的影响。

4线制（精度）：

●方式： 使用两根导线专门为PT100提供激励电流，另外两根导线专门用于测量PT100两端的电压。

●原理： 由于高阻抗的电压测量回路中几乎没有电流，因此引线电阻上的压降可以忽略不计。电压表测量到的是非常纯净的PT100自身电阻产生的压降。

●优点： 完全消除了引线电阻的影响，可实现精度的测量。

●应用： 实验室、计量校准等对精度要求极高的场合。