Ce este un senzor de detectare a temperaturii cu rezistență termică RTD?

Detectoarele de temperatură de rezistență sau RTD pot fi tipuri simple de senzori de temperatură. Aceste dispozitive funcționează pe principiul că rezistența unui metal se schimbă odată cu temperatura. Metalele pure au, în general, un coeficient de temperatură pozitiv de rezistență, ceea ce înseamnă că rezistența lor crește pe măsură ce temperatura crește. RTD -urile funcționează pe o gamă largă de temperatură de -200 ° C la +850 ° C și oferă o precizie ridicată, stabilitate excelentă pe termen lung, și repetabilitate.

MAX31865 RTD Detector de temperatură de rezistență la platină PT100 & PT1000

RTD PT100 Transmițător de temperatură DC24V minus 50 ~ 100 grad

RTD PT100 Senzor de temperatură pentru cuptor

În acest articol, Vom discuta despre compromisurile utilizării RTD-urilor, Metalele utilizate în ele, cele două tipuri de RTD, și cum se compară RTD -urile cu termocuple.

Înainte să ne scufundăm, Să aruncăm o privire la o diagramă de aplicație pentru a înțelege mai bine elementele de bază ale RTD.

Exemplu de diagramă a aplicației RTD

RTD -urile sunt dispozitive pasive care nu generează un semnal de ieșire pe cont propriu. Figura 1 prezintă o diagramă simplificată de aplicație RTD.

Diagrama circuitului pentru aplicația RTD Exemplu.jpeg

Figura 1. Exemplu de diagramă a aplicației RTD.

Curentul de excitație i1 trece prin rezistența dependentă de temperatură a senzorului. Acest lucru produce un semnal de tensiune care este proporțional cu curentul de excitație și rezistența RTD. Tensiunea de -a lungul RTD este apoi amplificată și trimisă la un ADC (Convertor analog-digital) Pentru a produce un cod de ieșire digitală care poate fi utilizat pentru a calcula temperatura RTD.

Companiile de utilizare a senzorilor RTD - avantaje și dezavantaje ale senzorilor RTD

Înainte să ne scufundăm, Este important de menționat că detaliile privind condiționarea semnalului RTD vor fi acoperite într -un articol viitor. Pentru acest articol, Vreau să subliniez câteva compromisuri de bază atunci când folosesc circuite RTD.

Primul, Rețineți că curentul de excitație este de obicei limitat la aproximativ 1 MA pentru a minimiza efectele de auto-încălzire. Când curentul de excitație curge prin RTD, generează încălzire I2R sau Joule. Efectele de auto-încălzire pot ridica temperatura senzorului la valori peste temperatura ambiantă care se măsoară de fapt. Reducerea curentului de excitație poate reduce efectul de auto-încălzire. De menționat, de asemenea, că efectul de auto-încălzire depinde de mediul în care RTD este cufundat. De exemplu, Un RTD plasat în aer nemișcat poate experimenta efecte mai semnificative de auto-încălzire decât un RTD cufundat în apa curgătoare.

Pentru o schimbare de temperatură detectabilă dată, Modificarea tensiunii RTD ar trebui să fie suficient de mare pentru a depăși zgomotul sistemului, precum și compensările și derivările diferiților parametri ai sistemului. Deoarece auto-încălzirea limitează curentul de excitație, Trebuie să folosim un RTD cu o rezistență suficient de mare, generând astfel o tensiune mare pentru blocul de procesare a semnalului din aval. În timp ce o rezistență mare la RTD este de dorit să reducă erorile de măsurare, Nu putem crește în mod arbitrar rezistența, deoarece o rezistență mai mare la RTD are ca rezultat un timp de răspuns mai lent.

Metale RTD: Diferențe între platină, Aur, și RTD -uri de cupru

În teorie, Orice tip de metal poate fi folosit pentru a construi un RTD. Primul RTD inventat de CW Siemens în 1860 a folosit un fir de cupru. Cu toate acestea, Siemens a descoperit curând că RTD -urile de platină au produs rezultate mai precise pe un interval de temperatură mai larg.

Astăzi, RTD -urile de platină sunt cei mai utilizați senzori de temperatură pentru măsurarea temperaturii de precizie. Platina are o relație liniară de temperatură de rezistență și este extrem de repetabilă pe un interval mare de temperatură. în plus, Platina nu reacționează cu majoritatea gazelor poluante din aer.

Pe lângă platină, Alte două materiale RTD obișnuite sunt nichel și cupru. Masă 1 Oferă coeficienții de temperatură și conductivitatea relativă a unor metale RTD comune.

Temp PT100 PLATINUM Platinum Rezistență Senzor-Insor Insor Exploație

WZP-130 231 Rezistență la platină din oțel inoxidabil PT100 Senzor de temperatură

Rezistență termică PT100 Senzor de temperatură pentru rulmenți

Masă 1. Coeficienții de temperatură și conductivitatea relativă a metalelor RTD comune. Datele furnizate de BAPI

În secțiunea anterioară, Am discutat despre modul în care rezistența RTD mai mare poate reduce erorile de măsurare. Cuprul are o conductivitate mai mare (sau echivalent, rezistență mai mică) decât platina și nichelul. Pentru un anumit dimensiune a senzorului și curent de excitație, Un RTD de cupru poate produce o tensiune relativ mică. Prin urmare, RTD -urile de cupru pot fi mai dificile pentru a măsura modificările mici ale temperaturii. în plus, cuprul se oxidează la temperaturi mai ridicate, Deci, intervalul de măsurare este, de asemenea, limitat la -200 la +260 °C. În ciuda acestor limitări, Cuprul este încă utilizat în unele aplicații datorită liniarității sale și a costurilor reduse. Așa cum se arată în figura 2 de mai jos, Dintre cele trei metale RTD comune, Cuprul are cea mai liniară caracteristică a temperaturii rezistenței la rezistență.

Rezistență vs. Caracteristicile de temperatură ale nichelului, Cupru, și Platinum rtds.jpeg

Figura 2. Rezistență vs. Caracteristicile de temperatură ale nichelului, cupru, și RTD -uri de platină. Imagine amabilitate a conectivității TE

Aurul și argintul au, de asemenea, o rezistență relativ scăzută și sunt rareori utilizate ca elemente RTD. Nichelul are o conductivitate aproape de cea a platinei. După cum se poate observa în figură 2, Nichel oferă o modificare a rezistenței pentru o modificare dată a temperaturii.

Cu toate acestea, Nichel oferă un interval de temperatură mai scăzut, o mai mare neliniaritate, și o derivă mai mare pe termen lung decât platina. În plus, Rezistența nichelului variază de la lot la lot. Din cauza acestor limitări, Nichelul este utilizat în principal în aplicații cu costuri reduse, cum ar fi produsele de consum.

RTD -urile de platină obișnuite sunt PT100 și PT1000. Aceste nume descriu tipul de metal utilizat în construcția senzorului (platină sau pt) și rezistența nominală la 0 °C, care este 100 Ω pentru PT100 și 1000 Ω pentru tipurile PT100 și PT1000, respectiv. Tipurile PT100 au fost mai populare în trecut; Cu toate acestea, Astăzi tendința este spre RTD -uri cu rezistență mai mare, Deoarece o rezistență mai mare oferă o sensibilitate și o rezoluție mai mare la costuri suplimentare sau deloc. RTD -urile realizate din cupru și nichel folosesc convenții de denumire similare. Masă 2 Listează unele tipuri comune.

Masă 2. Tipuri RTD, materiale, și intervale de temperatură. Date furnizate de Analog Devices

Pe lângă tipul de metal folosit, Structura mecanică a RTD afectează și performanța senzorului. RTD -urile pot fi împărțite în două tipuri de bază: Film subțire și wirewound. Aceste două tipuri vor fi discutate în secțiunile următoare.

Film subțire vs. RTD -uri Wirewound

Pentru a continua discuția noastră despre RTD, Să explorăm două tipuri: Film subțire și wirewound.

Film subțire RTD de bază

Structura de afișare RTD cu film subțire.jpeg

Structura tipului de film subțire este prezentată în figură 3(o).

Figura 3. Exemple de RTD -uri de film subțire, unde (o) arată structura și (b) arată diferitele tipuri generale. Imagine (modificat) Cu amabilitatea Evosensorilor

Într -un film subțire RTD, Un strat subțire de platină este depus pe un substrat ceramic. Aceasta este urmată de recoacere și stabilizare a temperaturilor foarte ridicate, și un strat de sticlă de protecție subțire care acoperă întregul element. Zona de tundere prezentată în figură 3(o) este utilizat pentru a ajusta rezistența fabricată la o valoare țintă specificată.

RTD -uri de film subțire se bazează pe o tehnologie relativ nouă, care reduce semnificativ timpul de asamblare și costurile de producție. În comparație cu tipul wirewound, pe care le vom explora în profunzime în secțiunea următoare, RTD -uri cu film subțire sunt mai rezistente la deteriorarea șocului sau a vibrațiilor. În plus, RTD-uri cu film subțire pot găzdui rezistențe mari într-o zonă relativ mică. De exemplu, o 1.6 mm de 2.6 Senzorul MM oferă suficientă zonă pentru a produce o rezistență a 1000 Oh. Datorită dimensiunilor lor mici, RTD-uri cu film subțire pot răspunde rapid la schimbările de temperatură. Aceste dispozitive sunt potrivite pentru multe aplicații cu scop general. Dezavantajele acestui tip sunt relativ slabe stabilitate pe termen lung și un interval de temperatură restrâns.

RTD -uri Wirewound

Construcția unui RTD Wirewound

Figura 4. Prezentare generală a construcției unui RTD de bază. Imagine amabilitate a PR Electronics

Acest tip de RTD se face prin înfășurarea unei lungimi de platină în jurul unui miez ceramică sau de sticlă. Întregul element este de obicei încapsulat într -un tub ceramică sau de sticlă în scopuri de protecție. RTD -urile cu nuclee ceramice sunt potrivite pentru măsurarea temperaturilor foarte ridicate. RTD-urile Wirewound sunt în general mai precise decât tipurile de film subțire. Cu toate acestea, Sunt mai scumpe și mai ușor deteriorate de vibrații.

Pentru a minimiza orice încordare pe firul de platină, Coeficientul de expansiune termică al materialului utilizat în construcția senzorului ar trebui să se potrivească cu cel al platinei. Coeficienții de expansiune termici identici minimizează modificările de rezistență cauzate de stresul pe termen lung în elementul RTD, Îmbunătățirea astfel repetabilitate și stabilitate a senzorului.

RTD vs. Proprietăți termocuple

Pentru a încheia această conversație despre senzorii de temperatură RTD, Iată o scurtă comparație între senzorii RTD și termocuple.

Un termocuplu produce o tensiune care este proporțională cu diferența de temperatură dintre cele două joncțiuni ale sale. Termocuplurile sunt auto-alimentate și nu necesită excitație externă, în timp ce măsurătorile de temperatură bazate pe RTD necesită un curent de excitație sau tensiune. Ieșirea termocuplei specifică diferența de temperatură între joncțiunile reci și cele fierbinți, Deci, este necesară compensarea joncțiunilor la rece în aplicațiile termocuple. Pe de altă parte, Compensarea de joncțiuni la rece nu este necesară pentru aplicațiile RTD, rezultând un sistem de măsurare mai simplu.

Termocuple sunt utilizate de obicei în -184 ° C la 2300 ° C interval, în timp ce RTD -urile pot măsura din -200 ° C la +850 °C. Deși RTD -urile sunt în general mai exacte decât termocuple, Sunt de aproximativ două până la trei ori mai scumpe decât termocuple. O altă diferență este că RTD-urile sunt mai liniare decât termocuple și prezintă o stabilitate superioară pe termen lung. Cu termocuple, Modificările chimice ale materialului senzorului pot reduce stabilitatea pe termen lung și pot determina citirea senzorului în derivă.