PT100

温度测量是工业自动化、科学研究及日常生活中最基础且关键的参数之一。在-200℃至+850℃的中低温段（尤其-50℃~+400℃），铂热电阻（Platinum Resistance Thermometer, PRT）因精度高、稳定性好、线性度优，成为国际公认的标准测温元件。其中，PT100是最具代表性的型号（“PT”为铂电阻代号，“100”表示0℃时电阻值为100Ω）。本报告将从原理、特性、设计、应用及前沿技术五个维度，系统解析PT100的技术细节与应用价值。

二、PT100的工作原理与物理基础

2.1 电阻温度效应（R-T特性）

金属的电阻率随温度变化的现象称为电阻温度效应。对于铂这类贵金属，其电阻值与温度的关系可通过Callendar-Van Dusen方程（CVD方程）精确描述：

R(T)=R0​[1+AT+BT2+C(T−100)T3]

其中：

• R(T)：温度为T（℃）时的电阻值；

• R0​：参考温度（T=0℃）下的电阻值（PT100中R0​=100Ω）；

• A、B、C：铂材料的常数（由IEC 60751标准规定）：

  • A=3.9083×10−3℃−1

  • B=−5.775×10−7℃−2

  • C=−4.183×10−12℃−4（仅适用于T<0℃，当T≥0℃时，C=0，方程简化为二次函数）。

2.2 铂材料的选择依据

铂被选作热电阻材料的核心原因包括：

1. 化学惰性：抗氧化、抗腐蚀能力强，可在高温或腐蚀性环境中长期稳定工作；

2. 电阻率高：相同体积下，铂的电阻变化更显著（灵敏度高于铜或镍）；

3. 线性度优：在宽温域内（尤其是0℃~650℃），电阻-温度关系接近线性，便于校准与信号处理；

4. 国际标准统一：IEC 60751规定了铂纯度（电阻比R100​/R0​≥1.3850），确保不同厂商产品的互换性。

三、PT100的关键特性分析

3.1 电阻-温度关系（分温区特性）

根据CVD方程，PT100的特性可分为两个温区：

（1）0℃≤T≤850℃（简化二次方程）

此时C=0，方程为：

R(T)=100[1+3.9083×10−3T−5.775×10−7T2]

典型数据点示例：

• T=100℃：R≈138.51Ω（R100​/R0​=1.3851，符合IEC标准）；

• T=300℃：R≈175.84Ω；

• T=650℃：R≈249.17Ω。

（2）-200℃≤T<0℃（三次方程）

引入C项后，可更准确描述低温段的负温度系数特性：

R(T)=100[1+3.9083×10−3T−5.775×10−7T2−4.183×10−12(T−100)T3]

典型数据点示例：

• T=−50℃：R≈80.31Ω；

• T=−100℃：R≈59.65Ω；

• T=−200℃：R≈17.28Ω。

3.2 灵敏度与分辨率

灵敏度定义为单位温度变化引起的电阻变化率（dR/dT）。对0℃以上的二次方程求导可得：

dTdR​=100(3.9083×10−3−2×5.775×10−7T)

• 在T=0℃时，灵敏度为0.39083Ω/℃（即每℃电阻增加约0.39Ω）；

• 在T=100℃时，灵敏度降至0.3845Ω/℃（因二次项影响）。

分辨率则取决于测量电路：若采用恒流源法（如1mA电流），0℃时电压变化为0.39083mV/℃，配合16位ADC（最小电压分辨0.076μV），理论温度分辨率可达0.0002℃。

3.3 误差来源与长期稳定性

PT100的误差主要由以下因素导致：

1. 自热误差：激励电流通过铂丝产生的焦耳热（ΔT=I2R/K，K为传热系数）。例如，1mA电流在100Ω电阻上产生0.1mW功耗，若K=10mW/℃，则温升仅0.01℃，可通过降低电流（如≤500μA）减小；

2. 引线电阻误差：传统两线制中，引线电阻（通常几欧姆）会直接叠加到测量值中。解决方案包括三线制（抵消两根引线电阻）、四线制（完全消除引线影响）；

3. 铂丝污染：高温下铂可能与杂质（如碳、硫）反应，导致电阻漂移。需采用高纯度铂（≥99.999%）并优化封装工艺；

4. 机械应力：铂丝受拉伸或弯曲时，晶格畸变会改变电阻率。薄膜型PT100因无机械应力，稳定性优于绕线式。

四、PT100的测量电路设计

4.1 三线制电桥电路（主流方案）

三线制通过平衡电桥抵消引线电阻影响，典型电路如图1所示（假设引线电阻为r）：

• 电源端（S）接一根引线，测量端（M）接两根引线；

• 电桥平衡条件：Rx​+r=R2​（当R3​=R4​时）；

• 输出电压Vout​=Vref​⋅Rx​+R2​+2rRx​−R2​​，但因Rx​=Rref​+ΔR，实际可通过调节R2​补偿引线电阻。

该方案的优点是成本低、精度较高（适用于工业现场），缺点是仍残留少量引线误差（约±0.1℃）。

4.2 四线制恒流源电路（高精度方案）

四线制通过分离电流激励与电压测量回路，彻底消除引线电阻影响（图2）：

• 恒流源I流经PT100的两根电流引线（r1​,r2​），电压测量端（V+与V−）连接高阻抗仪表放大器；

• 输出电压Vout​=I⋅Rx​（r3​,r4​不影响测量结果）；

• 典型精度可达±0.01℃（配合24位Σ-Δ ADC）。

该方案广泛用于实验室、医疗设备等高精度场景。

4.3 集成化解决方案（IC驱动）

现代传感器厂商（如Maxim、TI）推出了集成PT100接口的专用芯片（如MAX31865），内置24位ADC、三线制/四线制自适应电路及故障检测功能（开路、短路报警）。用户仅需外接简单滤波电路即可实现高精度测温，大幅降低了设计门槛。

五、PT100的典型应用场景

5.1 工业过程控制

• 化工反应釜：监测-50℃~+300℃的反应液温度，控制加热/冷却速率；

• 汽车发动机：测量机油、冷却液温度（需耐振动，常采用不锈钢铠装PT100）；

• HVAC系统：中央空调的送风/回风温度检测，配合PID控制器调节阀门开度。

5.2 医疗与生命科学

• 血液存储设备：血库冰箱需维持4℃±0.5℃，PT100的高稳定性可避免温度波动导致的血液变质；

• 灭菌设备：高压蒸汽灭菌器（121℃~134℃）的温度验证，需符合FDA 21 CFR Part 11的审计追踪要求。

5.3 能源与电力

• 变压器绕组温度监测：油浸式变压器的热点温度直接影响寿命，PT100埋入绕组后可实时预警过热风险；

• 光伏组件测试：在-40℃~+85℃环境舱中，PT100用于评估组件的温漂特性。

六、PT100的技术挑战与前沿进展

6.1 微型化与集成化

传统绕线式PT100尺寸较大（直径≥1mm），限制了其在微机电系统（MEMS）中的应用。近年发展的薄膜PT100（厚度≤1μm）通过溅射工艺将铂膜沉积在陶瓷基片上，可实现0603封装（1.6mm×0.8mm），响应时间缩短至毫秒级，适用于手机电池温度监测等场景。

6.2 新材料与新工艺

为扩展测温上限（如超过850℃），研究者尝试掺杂铑（Pt-Rh合金）或钌（Pt-Ru合金），通过调整晶格常数改善高温稳定性。此外，纳米铂薄膜（粒径≤10nm）因量子尺寸效应，可能在室温附近表现出更高的灵敏度。

6.3 智能化与无线化

结合低功耗蓝牙（BLE）或LoRa模块，PT100正从有线传感器向无线节点升级。例如，智能温控阀集成PT100与无线收发器，可将温度数据上传至云端，实现远程诊断与预测性维护。

七、结论

PT100作为中低温测量的“工业标尺”，凭借其优异的线性度、稳定性和标准化程度，在百年间持续主导着温度传感市场。随着薄膜工艺、集成芯片及无线通信技术的发展，PT100正从传统工业领域向消费电子、医疗健康等新兴场景渗透。未来，其性能边界（如更高温度、更小尺寸、更低成本）的突破，将进一步巩固其在温度测量领域的核心地位。