ما هو مستشعر كشف درجة الحرارة بالمقاوم الحراري RTD?

قد تكون كاشفات درجة حرارة المقاومة أو RTDs أنواعًا بسيطة من أجهزة استشعار درجة الحرارة. تعمل هذه الأجهزة على مبدأ أن مقاومة المعدن تتغير مع درجة الحرارة. المعادن النقية عمومًا لها معامل درجة حرارة إيجابية للمقاومة, وهذا يعني أن مقاومتها تزداد مع زيادة درجة الحرارة. تعمل RTDs على نطاق درجة حرارة واسعة من -200 ° C ل +850 درجة مئوية وتقديم دقة عالية, استقرار ممتازة طويلة الأجل, والتكرار.

MAX31865 RTD Platinum Resistance Cendector PT100 & PT1000

RTD PT100 TERFERT TRIVETTER DC24V ناقص 50 ~ 100 درجة

مسبار مستشعر درجة الحرارة RTD PT100 للفرن

في هذه المقالة, سنناقش مقايضات استخدام RTDS, المعادن المستخدمة فيها, نوعان من RTDS, وكيف تقارن RTD مع المزدوجات الحرارية.

قبل الغوص في, دعنا نلقي نظرة على مثال على رسم تخطيطي لفهم أساسيات RTD بشكل أفضل.

مثال مخطط تطبيق RTD

RTDs هي أجهزة سلبية لا تنشئ إشارة الخرج بمفردها. شكل 1 يعرض مخطط تطبيق RTD مبسط.

مخطط الدائرة لتطبيق RTD مثال. jpeg

شكل 1. مثال مخطط تطبيق RTD.

يمر تيار الإثارة I1 عبر المقاومة المعتمدة على درجة الحرارة للمستشعر. هذا ينتج إشارة الجهد تتناسب مع تيار الإثارة ومقاومة RTD. ثم يتم تضخيم الجهد عبر RTD وإرساله إلى ADC (المحول التناظرية إلى الرقمية) لإنتاج رمز الإخراج الرقمي الذي يمكن استخدامه لحساب درجة حرارة RTD.

مقايضات استخدام أجهزة استشعار RTD - مزايا وعيوب مستشعرات RTD

قبل الغوص في, من المهم أن نلاحظ أن تفاصيل تكييف إشارة RTD سيتم تغطية في مقال مستقبلي. لهذا المقال, أريد تسليط الضوء على بعض المقايضات الأساسية عند استخدام دوائر RTD.

أولاً, لاحظ أن تيار الإثارة يقتصر عادة على حوله 1 أما لتقليل آثار التسخين الذاتي. عندما يتدفق تيار الإثارة عبر RTD, يولد تسخين I2R أو Joule. يمكن أن ترفع تأثيرات التسخين الذاتي درجة حرارة المستشعر إلى القيم أعلى من درجة الحرارة المحيطة التي يتم قياسها بالفعل. يمكن أن يؤدي تقليل تيار الإثارة إلى تقليل تأثير التسخين الذاتي. تجدر الإشارة أيضًا إلى أن تأثير التسخين الذاتي يعتمد على الوسيلة التي ينغمس فيها RTD. على سبيل المثال, قد يعاني RTD الموضوعة في الهواء من آثار أكثر أهمية من تسخين الذات من RTD المنغمس في الماء المتدفق.

لتغير درجة حرارة معينة يمكن اكتشافها, يجب أن يكون التغير في جهد RTD كبيرًا بما يكفي للتغلب على ضوضاء النظام وكذلك الإزاحة والانجرافات في معلمات النظام المختلفة. لأن تسخين الذات يحد من تيار الإثارة, نحتاج إلى استخدام RTD بمقاومة كبيرة بما يكفي, وبالتالي توليد جهد كبير لكتلة معالجة الإشارة المصب. في حين أن مقاومة RTD كبيرة أمر مرغوب فيه لتقليل أخطاء القياس, لا يمكننا زيادة المقاومة بشكل تعسفي لأن مقاومة RTD أكبر تؤدي إلى وقت استجابة أبطأ.

RTD المعادن: الاختلافات بين البلاتين, ذهب, والنحاس RTDS

من الناحية النظرية, يمكن استخدام أي نوع من المعدن لبناء RTD. أول RTD اخترعه CW Siemens في 1860 استخدم سلك النحاس. لكن, سرعان ما اكتشف Siemens أن RTDات البلاتينية أنتجت نتائج أكثر دقة على مدى درجة حرارة أوسع.

اليوم, RTD البلاتين هي أجهزة استشعار درجة الحرارة الأكثر استخدامًا لقياس درجة الحرارة الدقيقة. البلاتين له علاقة درجة حرارة المقاومة الخطية ويمكن تكراره للغاية على مدى درجة حرارة كبيرة. فضلاً عن ذلك, البلاتين لا يتفاعل مع معظم غازات الملوثات في الهواء.

بالإضافة إلى البلاتين, موادان RTD شائعة أخرى هما النيكل والنحاس. طاولة 1 يوفر معاملات درجة الحرارة والتوصيل النسبي لبعض المعادن RTD المشتركة.

ارتفاع درجة حرارة PT100 Platinum مقاومة حرارية مقاومة الانفجار

WZP-130 231 مستشعر درجة حرارة الفولاذ المقاوم للصدأ PT100

مستشعر درجة حرارة المقاوم الحراري PT100 للمحامل

طاولة 1. معاملات درجة الحرارة والتوصيل النسبي للمعادن RTD المشتركة. البيانات المقدمة من BAPI

في القسم السابق, ناقشنا كيف يمكن أن تقلل مقاومة RTD الأكبر من أخطاء القياس. النحاس لديه توصيل أعلى (أو ما يعادل, مقاومة أقل) من البلاتين والنيكل. لحجم مستشعر معين وتيار الإثارة, يمكن لـ RTD النحاس إنتاج جهد صغير نسبيًا. لذلك, يمكن أن يكون RTDs النحاس أكثر صعوبة لقياس التغيرات الصغيرة في درجات الحرارة الصغيرة. فضلاً عن ذلك, يتأكسد النحاس في درجات حرارة أعلى, لذلك يقتصر نطاق القياس أيضًا على -200 ل +260 درجة مئوية. على الرغم من هذه القيود, لا يزال النحاس مستخدمًا في بعض التطبيقات بسبب خطيته وتكلفة منخفضة. كما هو مبين في الشكل 2 أقل, من المعادن الثلاثة المشتركة RTD, النحاس لديه أكثر خاصية درجة حرارة المقاومة الخطية.

المقاومة مقابل. خصائص درجة حرارة النيكل, نحاس, و Platinum RTDS.JPEG

شكل 2. المقاومة مقابل. خصائص درجة حرارة النيكل, نحاس, والبلاتين RTDs. صورة من باب المجاملة TE

الذهب والفضة أيضا مقاومة منخفضة نسبيا ونادرا ما تستخدم كعناصر RTD. النيكل لديه الموصلية بالقرب من البلاتين. كما يتضح في الشكل 2, يوفر النيكل تغييرًا في مقاومة تغيير معين في درجة الحرارة.

لكن, يوفر النيكل نطاق درجة حرارة أقل, أكبر غير الخطية, والانجراف على المدى الطويل أكبر من البلاتين. بالإضافة إلى ذلك, تختلف مقاومة النيكل من دفعة إلى دفعة. بسبب هذه القيود, يستخدم النيكل في المقام الأول في التطبيقات منخفضة التكلفة مثل المنتجات الاستهلاكية.

RTDs البلاتينية الشائعة هي PT100 و PT1000. تصف هذه الأسماء نوع المعدن المستخدم في بناء المستشعر (البلاتين أو حزب العمال) والمقاومة الاسمية في 0 درجة مئوية, وهو 100 Ω لـ PT100 و 1000 Ω لأنواع PT100 و PT1000, على التوالى. كانت أنواع PT100 أكثر شعبية في الماضي; لكن, اليوم الاتجاه نحو RTDs مقاومة أعلى, نظرًا لأن المقاومة الأعلى توفر حساسية ودقة أكبر بتكلفة إضافية أو معدومة. تستخدم RTDs من النحاس والنيكل اتفاقيات تسمية مماثلة. طاولة 2 يسرد بعض الأنواع الشائعة.

طاولة 2. أنواع RTD, مواد, ونطاقات درجة الحرارة. البيانات المقدمة من الأجهزة التناظرية

بالإضافة إلى نوع المعدن المستخدم, يؤثر التركيب الميكانيكي لـ RTD أيضًا على أداء المستشعر. يمكن تقسيم RTDs إلى نوعين أساسيين: فيلم رفيع و wirewound. سيتم مناقشة هذين النوعين في الأقسام التالية.

فيلم رفيع مقابل. Wirewound RTDS

لتعزيز مناقشتنا لـ RTDS, دعنا نستكشف نوعين: فيلم رفيع و wirewound.

فيلم رفيع RTD أساسيات

بنية عرض فيلم رقيقة RTD.JPEG

يظهر هيكل نوع الفيلم الرقيق في الشكل 3(أ).

شكل 3. أمثلة على rtds فيلم رفيع, أين (أ) يظهر الهيكل و (ب) يظهر الأنواع الإجمالية المختلفة. صورة (معدل) بإذن من evosensors

في فيلم رفيع RTD, يتم ترسيب طبقة رقيقة من البلاتين على ركيزة من السيراميك. ويتبع ذلك التصل والاستقرار بدرجة حرارة عالية جدًا, وطبقة زجاجية رقيقة تغطي العنصر بأكمله. منطقة التشذيب الموضحة في الشكل 3(أ) يستخدم لضبط المقاومة المصنعة لقيمة مستهدفة محددة.

تعتمد RTDs الرقيقة على التكنولوجيا الجديدة نسبيًا والتي تقلل بشكل كبير من وقت التجميع وتكاليف الإنتاج. بالمقارنة مع نوع wirewound, التي سنستكشفها بعمق في القسم التالي, RTDs الرقيقة RTDs أكثر مقاومة للتلف الناتج عن الصدمة أو الاهتزاز. بالإضافة إلى ذلك, يمكن أن تستوعب RTDs الرقيقة من الأفلام مقاومة كبيرة في منطقة صغيرة نسبيًا. على سبيل المثال, أ 1.6 مم بواسطة 2.6 يوفر مستشعر MM مساحة كافية لإنتاج مقاومة 1000 أوه. بسبب صغر حجمها, يمكن أن تستجيب RTDs الرفيع للفيلم بسرعة لتغيرات درجة الحرارة. هذه الأجهزة مناسبة للعديد من التطبيقات للأغراض العامة. عيوب هذا النوع هي ثبات طويل الأجل ضعيف نسبيا ونطاق درجة حرارة ضيقة.

Wirewound RTDS

بناء rtd wirewound

شكل 4. نظرة عامة على بناء RTD الأساسي. صورة بإذن من إلكترونيات العلاقات العامة

يتكون هذا النوع من RTD عن طريق لفه طول البلاتين حول نواة سيراميك أو زجاجي. عادة ما يتم تغليف العنصر بأكمله داخل أنبوب من السيراميك أو الزجاج لأغراض الحماية. RTDs مع النوى الخزفية مناسبة لقياس درجات حرارة عالية جدا. RTDs Wirewound هي عمومًا أكثر دقة من أنواع الأغشية الرقيقة. لكن, فهي أكثر تكلفة وتضررت بسهولة بسبب الاهتزاز.

لتقليل أي ضغط على السلك البلاتيني, يجب أن يتطابق معامل التمدد الحراري للمادة المستخدمة في بناء المستشعر مع معامل البلاتين. معاملات التمدد الحراري المتطابقة تقلل من التغيرات المقاومة الناجمة عن الإجهاد طويل الأجل في عنصر RTD, وبالتالي تحسين التكرار المستشعر والاستقرار.

RTD VS. خصائص الحرارية

لختتم هذه المحادثة حول أجهزة استشعار درجة حرارة RTD, فيما يلي مقارنة موجزة بين أجهزة استشعار RTD وأجهزة الاستشعار الحرارية.

ينتج عن الحرارية جهد يتناسب مع اختلاف درجة الحرارة بين تقاطعاتها. المزدوجات الحرارية تعمل ذاتيا ولا تتطلب الإثارة الخارجية, في حين أن قياسات درجة الحرارة المستندة إلى RTD تتطلب تيارًا أو جهدًا للإثارة. يحدد الإخراج الحراري, لذا مطلوب تعويض تقاطع البارد في تطبيقات الحرارية. على الجانب الآخر, تعويض الوصلات البارد غير مطلوب لتطبيقات RTD, مما أدى إلى نظام قياس أبسط.

عادة ما تستخدم المزدوجات الحرارية في -184 ° C ل 2300 نطاق ° C., بينما يمكن قياس RTDs من -200 ° C ل +850 درجة مئوية. على الرغم من أن RTDs عمومًا أكثر دقة من المزايا الحرارية, هم ما يقرب من مرتين إلى ثلاث مرات أكثر تكلفة من المزايا الحرارية. هناك اختلاف آخر هو أن RTDs أكثر خطية من المزدوجات الحرارية وتظهر استقرارًا طويل الأجل متفوق على المدى الطويل. مع المزدوجات الحرارية, يمكن للتغيرات الكيميائية في مادة المستشعر أن تقلل من الاستقرار على المدى الطويل وتتسبب في تنجرف قراءة المستشعر.