เซนเซอร์ตรวจจับอุณหภูมิตัวต้านทานความร้อน RTD คืออะไร?

เครื่องตรวจจับอุณหภูมิความต้านทานหรือ RTD อาจเป็นเซนเซอร์วัดอุณหภูมิชนิดธรรมดา. อุปกรณ์เหล่านี้ทำงานบนหลักการที่ว่าความต้านทานของโลหะเปลี่ยนแปลงไปตามอุณหภูมิ. โลหะบริสุทธิ์โดยทั่วไปจะมีค่าสัมประสิทธิ์ความต้านทานอุณหภูมิเป็นบวก, หมายความว่าความต้านทานเพิ่มขึ้นเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น. RTD ทำงานในช่วงอุณหภูมิที่กว้าง -200 °C ถึง +850 °C และมีความแม่นยำสูง, เสถียรภาพระยะยาวที่ยอดเยี่ยม, และการทำซ้ำ.

MAX31865 RTD Platinum เครื่องตรวจจับอุณหภูมิความต้านทาน PT100 & พีที1000

RTD PT100 เครื่องส่งสัญญาณอุณหภูมิ DC24V Minus 50 - 100 ระดับ

RTD Pt100 หัวเซนเซอร์วัดอุณหภูมิสำหรับเตาอบ

ในบทความนี้, เราจะหารือถึงข้อดีข้อเสียของการใช้ RTD, โลหะที่ใช้ในนั้น, RTD ทั้งสองประเภท, และ RTD เปรียบเทียบกับเทอร์โมคัปเปิลอย่างไร.

ก่อนที่เราจะดำดิ่งลงไป, มาดูตัวอย่างแผนภาพการใช้งานเพื่อทำความเข้าใจพื้นฐาน RTD ให้ดียิ่งขึ้น.

ตัวอย่างไดอะแกรมแอปพลิเคชัน RTD

RTD เป็นอุปกรณ์แบบพาสซีฟที่ไม่ได้สร้างสัญญาณเอาท์พุตด้วยตัวเอง. รูป 1 แสดงแผนภาพการใช้งาน RTD แบบง่าย.

แผนภาพวงจรสำหรับแอปพลิเคชัน RTD Example.jpeg

รูป 1. ตัวอย่างแผนภาพการใช้งาน RTD.

กระแสกระตุ้น I1 ผ่านความต้านทานที่ขึ้นกับอุณหภูมิของเซ็นเซอร์. สิ่งนี้จะสร้างสัญญาณแรงดันไฟฟ้าที่เป็นสัดส่วนกับกระแสกระตุ้นและความต้านทานของ RTD. จากนั้นแรงดันไฟฟ้าคร่อม RTD จะถูกขยายและส่งไปยัง ADC (เครื่องแปลงแบบอะนาล็อกเป็นดิจิตอล) เพื่อสร้างรหัสเอาต์พุตดิจิทัลที่สามารถใช้เพื่อคำนวณอุณหภูมิ RTD.

ข้อดีข้อเสียของการใช้เซ็นเซอร์ RTD – ข้อดีและข้อเสียของเซ็นเซอร์ RTD

ก่อนที่เราจะดำดิ่งลงไป, สิ่งสำคัญคือต้องทราบว่ารายละเอียดของการปรับสัญญาณ RTD จะกล่าวถึงในบทความต่อๆ ไป. สำหรับบทความนี้, ฉันต้องการเน้นข้อดีข้อเสียพื้นฐานบางประการเมื่อใช้วงจร RTD.

อันดับแรก, โปรดทราบว่ากระแสกระตุ้นโดยทั่วไปจะถูกจำกัดไว้ที่บริเวณรอบๆ 1 mA เพื่อลดผลกระทบจากการสร้างความร้อนในตัวเองให้เหลือน้อยที่สุด. เมื่อกระแสกระตุ้นไหลผ่าน RTD, มันสร้างความร้อน I2R หรือจูล. ผลกระทบจากความร้อนในตัวเองสามารถเพิ่มอุณหภูมิของเซ็นเซอร์ให้เป็นค่าที่สูงกว่าอุณหภูมิแวดล้อมที่กำลังวัดได้จริง. การลดกระแสกระตุ้นสามารถลดผลกระทบจากการสร้างความร้อนในตัวเองได้. นอกจากนี้ยังควรกล่าวถึงด้วยว่าเอฟเฟกต์การทำความร้อนในตัวเองนั้นขึ้นอยู่กับตัวกลางที่แช่ RTD ไว้. ตัวอย่างเช่น, RTD ที่วางอยู่ในอากาศนิ่งอาจได้รับผลกระทบจากความร้อนในตัวเองมากกว่า RTD ที่แช่อยู่ในน้ำไหล.

สำหรับการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิที่ตรวจพบได้ที่กำหนด, การเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้า RTD ควรมีขนาดใหญ่พอที่จะเอาชนะสัญญาณรบกวนของระบบ เช่นเดียวกับการชดเชยและการเบี่ยงเบนของพารามิเตอร์ระบบต่างๆ. เนื่องจากการทำความร้อนด้วยตนเองจะจำกัดกระแสกระตุ้น, เราจำเป็นต้องใช้ RTD ที่มีความต้านทานมากพอ, จึงสร้างแรงดันไฟฟ้าขนาดใหญ่สำหรับบล็อกการประมวลผลสัญญาณดาวน์สตรีม. ในขณะที่ต้องการความต้านทาน RTD ขนาดใหญ่เพื่อลดข้อผิดพลาดในการวัด, เราไม่สามารถเพิ่มความต้านทานโดยพลการได้ เนื่องจากความต้านทาน RTD ที่มากขึ้นส่งผลให้เวลาตอบสนองช้าลง.

RTD โลหะ: ความแตกต่างระหว่างแพลตตินัม, ทอง, และ Copper RTD

ในทางทฤษฎี, โลหะชนิดใดก็ได้ที่สามารถนำมาใช้สร้าง RTD ได้. RTD แรกที่คิดค้นโดย CW Siemens ใน 1860 ใช้ลวดทองแดง. อย่างไรก็ตาม, ในไม่ช้า Siemens ก็ค้นพบว่า RTD ที่เป็นแพลทินัมให้ผลลัพธ์ที่แม่นยำยิ่งขึ้นในช่วงอุณหภูมิที่กว้างขึ้น.

วันนี้, Platinum RTD เป็นเซ็นเซอร์วัดอุณหภูมิที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดเพื่อการวัดอุณหภูมิที่แม่นยำ. แพลตตินัมมีความสัมพันธ์ระหว่างความต้านทานต่ออุณหภูมิเชิงเส้น และสามารถทำซ้ำได้สูงในช่วงอุณหภูมิที่กว้าง. นอกจากนี้, แพลตตินัมไม่ทำปฏิกิริยากับก๊าซมลพิษส่วนใหญ่ในอากาศ.

นอกจากแพลทินัมแล้ว, วัสดุ RTD ทั่วไปอีกสองชนิดคือนิกเกิลและทองแดง. โต๊ะ 1 ให้ค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิและค่าการนำไฟฟ้าสัมพัทธ์ของโลหะ RTD ทั่วไปบางชนิด.

เซ็นเซอร์ต้านทานความร้อนแพลทินัม Pt100 อุณหภูมิสูงป้องกันการระเบิด

WZP-130 231 เซ็นเซอร์อุณหภูมิ PT100 ต้านทานแพลตตินัมสแตนเลส

เซ็นเซอร์อุณหภูมิตัวต้านทานความร้อน pt100 สำหรับแบริ่ง

โต๊ะ 1. ค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิและการนำไฟฟ้าสัมพัทธ์ของโลหะ RTD ทั่วไป. ข้อมูลจาก BAPI

ในส่วนก่อนหน้า, เราได้พูดคุยกันว่าความต้านทาน RTD ที่มากขึ้นสามารถลดข้อผิดพลาดในการวัดได้อย่างไร. ทองแดงมีค่าการนำไฟฟ้าสูงกว่า (หรือเทียบเท่า, ความต้านทานต่ำ) มากกว่าแพลทินัมและนิกเกิล. สำหรับขนาดเซนเซอร์และกระแสกระตุ้นที่กำหนด, ทองแดง RTD สามารถสร้างแรงดันไฟฟ้าที่ค่อนข้างเล็กได้. ดังนั้น, RTD ทองแดงอาจทำได้ยากกว่าในการวัดการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิเล็กน้อย. นอกจากนี้, ทองแดงออกซิไดซ์ที่อุณหภูมิสูงขึ้น, ดังนั้นช่วงการวัดจึงจำกัดอยู่เพียงเท่านั้น -200 ถึง +260 องศาเซลเซียส. แม้จะมีข้อจำกัดเหล่านี้ก็ตาม, ทองแดงยังคงใช้ในบางแอปพลิเคชันเนื่องจากมีความเป็นเส้นตรงและมีต้นทุนต่ำ. ดังแสดงในรูป 2 ด้านล่าง, ของโลหะ RTD ทั่วไปสามชนิด, ทองแดงมีลักษณะต้านทานอุณหภูมิเชิงเส้นมากที่สุด.

ความต้านทานเทียบกับ. ลักษณะอุณหภูมิของนิกเกิล, ทองแดง, และแพลตตินัม RTDs.jpeg

รูป 2. ความต้านทานเทียบกับ. ลักษณะอุณหภูมิของนิกเกิล, ทองแดง, และ RTD แพลทินัม. ได้รับความอนุเคราะห์จาก TE Connectivity

ทองคำและเงินก็มีความต้านทานค่อนข้างต่ำและไม่ค่อยได้ใช้เป็นองค์ประกอบ RTD. นิกเกิลมีค่าการนำไฟฟ้าใกล้เคียงกับแพลตตินัม. ดังที่เห็นในรูป 2, นิกเกิลมีการเปลี่ยนแปลงความต้านทานสำหรับการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิที่กำหนด.

อย่างไรก็ตาม, นิกเกิลมีช่วงอุณหภูมิที่ต่ำกว่า, ความไม่เชิงเส้นมากขึ้น, และการดริฟท์ในระยะยาวมากกว่าแพลตตินัม. นอกจากนี้, ความต้านทานของนิกเกิลแตกต่างกันไปในแต่ละชุด. เพราะข้อจำกัดเหล่านี้, นิกเกิลถูกใช้เป็นหลักในการใช้งานที่มีต้นทุนต่ำ เช่น สินค้าอุปโภคบริโภค.

RTD แพลทินัมทั่วไปคือ Pt100 และ Pt1000. ชื่อเหล่านี้อธิบายประเภทของโลหะที่ใช้ในโครงสร้างของเซนเซอร์ (แพลทินัมหรือพอยต์) และแนวต้านระบุที่ 0 องศาเซลเซียส, ซึ่งก็คือ 100 Ω สำหรับ Pt100 และ 1000 Ω สำหรับประเภท Pt100 และ Pt1000, ตามลำดับ. ประเภท Pt100 ได้รับความนิยมมากขึ้นในอดีต; อย่างไรก็ตาม, วันนี้แนวโน้มมุ่งสู่ RTD แนวต้านที่สูงขึ้น, เนื่องจากความต้านทานที่สูงขึ้นจะให้ความไวและความละเอียดที่มากขึ้นโดยมีค่าใช้จ่ายเพิ่มเติมเพียงเล็กน้อยหรือไม่มีเลย. RTD ที่ทำจากทองแดงและนิกเกิลใช้รูปแบบการตั้งชื่อที่คล้ายกัน. โต๊ะ 2 แสดงรายการประเภททั่วไปบางประเภท.

โต๊ะ 2. ประเภท RTD, วัสดุ, และช่วงอุณหภูมิ. ข้อมูลที่ได้รับจากอุปกรณ์อะนาล็อก

นอกจากประเภทของโลหะที่ใช้แล้ว, โครงสร้างทางกลของ RTD ยังส่งผลต่อประสิทธิภาพของเซ็นเซอร์ด้วย. RTD สามารถแบ่งออกเป็นสองประเภทพื้นฐาน: ฟิล์มบางและลวดพัน. ทั้งสองประเภทนี้จะกล่าวถึงในหัวข้อต่อไปนี้.

ฟิล์มบางเทียบกับฟิล์มบาง. RTD แบบลวดพัน

เพื่อเพิ่มเติมการอภิปรายเกี่ยวกับ RTD ของเรา, มาสำรวจสองประเภทกัน: ฟิล์มบางและลวดพัน.

พื้นฐาน RTD แบบฟิล์มบาง

โครงสร้างการแสดงผล RTD แบบฟิล์มบาง.jpeg

โครงสร้างของชนิดฟิล์มบางแสดงดังรูป 3(อัน).

รูป 3. ตัวอย่าง RTD แบบฟิล์มบาง, ที่ไหน (อัน) แสดงโครงสร้างและ (ข) แสดงประเภทโดยรวมที่แตกต่างกัน. ภาพ (แก้ไข) ได้รับความอนุเคราะห์จาก Evosensors

ในฟิล์มบาง RTD, ชั้นแพลตตินัมบาง ๆ วางอยู่บนพื้นผิวเซรามิก. ตามด้วยการหลอมและการทำให้เสถียรที่อุณหภูมิสูงมาก, และชั้นกระจกป้องกันบาง ๆ ที่ครอบคลุมองค์ประกอบทั้งหมด. บริเวณตัดแต่งตามรูป 3(อัน) ใช้เพื่อปรับความต้านทานที่ผลิตขึ้นให้เป็นค่าเป้าหมายที่ระบุ.

RTD แบบฟิล์มบางใช้เทคโนโลยีที่ค่อนข้างใหม่ซึ่งช่วยลดเวลาการประกอบและต้นทุนการผลิตได้อย่างมาก. เมื่อเทียบกับแบบลวดพัน, ซึ่งเราจะมาเจาะลึกกันในหัวข้อถัดไป, RTD แบบฟิล์มบางทนทานต่อความเสียหายจากการกระแทกหรือการสั่นสะเทือนได้ดีกว่า. นอกจากนี้, RTD แบบฟิล์มบางสามารถรองรับความต้านทานขนาดใหญ่ได้ในพื้นที่ที่ค่อนข้างเล็ก. ตัวอย่างเช่น, อัน 1.6 มม. โดย 2.6 เซ็นเซอร์มม. ให้พื้นที่เพียงพอที่จะสร้างความต้านทาน 1000 โอ้. เนื่องจากขนาดเล็กของพวกเขา, RTD แบบฟิล์มบางสามารถตอบสนองการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิได้อย่างรวดเร็ว. อุปกรณ์เหล่านี้เหมาะสำหรับการใช้งานทั่วไปหลายประเภท. ข้อเสียของประเภทนี้คือความเสถียรในระยะยาวค่อนข้างต่ำและช่วงอุณหภูมิที่แคบ.

RTD แบบลวดพัน

การก่อสร้าง Wirewound RTD

รูป 4. ภาพรวมของการก่อสร้าง RTD แบบลวดพันพื้นฐาน. ขอบคุณรูปภาพจาก พีอาร์ อิเล็กทรอนิกส์

RTD ประเภทนี้ทำโดยการพันแพลตตินัมตามความยาวรอบแกนเซรามิกหรือแก้ว. โดยปกติองค์ประกอบทั้งหมดจะถูกห่อหุ้มไว้ภายในหลอดเซรามิกหรือแก้วเพื่อวัตถุประสงค์ในการป้องกัน. RTD ที่มีแกนเซรามิกเหมาะสำหรับการวัดอุณหภูมิที่สูงมาก. โดยทั่วไป RTD แบบลวดพันจะมีความแม่นยำมากกว่าประเภทฟิล์มบาง. อย่างไรก็ตาม, มีราคาแพงกว่าและเสียหายได้ง่ายจากการสั่นสะเทือน.

เพื่อลดความเครียดบนลวดแพลตตินัม, ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อนของวัสดุที่ใช้ในโครงสร้างเซ็นเซอร์ควรตรงกับค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวของแพลตตินัม. ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อนที่เหมือนกันจะช่วยลดการเปลี่ยนแปลงความต้านทานที่เกิดจากความเครียดในระยะยาวในองค์ประกอบ RTD, จึงปรับปรุงความสามารถในการทำซ้ำและความเสถียรของเซ็นเซอร์.

RTD กับ. คุณสมบัติของเทอร์โมคัปเปิล

เพื่อสรุปการสนทนาเกี่ยวกับเซ็นเซอร์อุณหภูมิ RTD, นี่คือการเปรียบเทียบโดยย่อระหว่างเซ็นเซอร์ RTD และเทอร์โมคัปเปิล.

เทอร์โมคัปเปิลสร้างแรงดันไฟฟ้าที่เป็นสัดส่วนกับความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างจุดเชื่อมต่อทั้งสอง. เทอร์โมคัปเปิ้ลใช้พลังงานในตัวและไม่ต้องการการกระตุ้นจากภายนอก, ในขณะที่การวัดอุณหภูมิแบบ RTD ต้องใช้กระแสกระตุ้นหรือแรงดันไฟฟ้า. เอาต์พุตเทอร์โมคัปเปิลระบุความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างจุดเชื่อมต่อเย็นและร้อน, ดังนั้นจำเป็นต้องมีการชดเชยจุดเชื่อมต่อเย็นในการใช้งานเทอร์โมคัปเปิล. ในทางกลับกัน, ไม่จำเป็นต้องมีการชดเชยจุดเชื่อมต่อเย็นสำหรับการใช้งาน RTD, ส่งผลให้ระบบการวัดง่ายขึ้น.

โดยทั่วไปแล้วเทอร์โมคัปเปิ้ลจะใช้ใน -184 °C ถึง 2300 ช่วง° C, ในขณะที่ RTD สามารถวัดได้จาก -200 °C ถึง +850 องศาเซลเซียส. แม้ว่าโดยทั่วไป RTD จะมีความแม่นยำมากกว่าเทอร์โมคัปเปิลก็ตาม, มีราคาแพงกว่าเทอร์โมคัปเปิ้ลประมาณสองถึงสามเท่า. ข้อแตกต่างอีกประการหนึ่งคือ RTD มีลักษณะเป็นเส้นตรงมากกว่าเทอร์โมคัปเปิ้ลและมีความเสถียรในระยะยาวที่เหนือกว่า. ด้วยเทอร์โมคัปเปิล, การเปลี่ยนแปลงทางเคมีในวัสดุเซ็นเซอร์สามารถลดความเสถียรในระยะยาว และทำให้การอ่านเซ็นเซอร์เบี่ยงเบนไป.