Što je RTD senzor za detekciju temperature toplinskog otpornika?

Otporni temperaturni detektori ili RTD-ovi mogu biti jednostavni tipovi temperaturnih senzora. Ovi uređaji rade na principu da se otpor metala mijenja s temperaturom. Čisti metali općenito imaju pozitivan temperaturni koeficijent otpornosti, što znači da njihov otpor raste kako temperatura raste. RTD rade u širokom temperaturnom rasponu od -200 °C do +850 °C i nude visoku preciznost, odlična dugoročna stabilnost, i ponovljivost.

MAX31865 RTD Platinum otporni temperaturni detektor PT100 & PT1000

RTD PT100 predajnik temperature DC24V minus 50 ~ 100 stepen

RTD Pt100 sonda temperaturnog senzora za pećnicu

U ovom članku, raspravljat ćemo o kompromisima korištenja RTD-ova, metali koji se koriste u njima, dvije vrste RTD-a, i kako se RTD-ovi upoređuju sa termoelementima.

Prije nego zaronimo, pogledajmo primjer dijagrama aplikacije kako bismo bolje razumjeli osnove RTD-a.

Primjer dijagrama primjene RTD

RTD su pasivni uređaji koji sami ne stvaraju izlazni signal. Slika 1 prikazuje pojednostavljeni dijagram RTD aplikacije.

Dijagram strujnog kruga za primjer primjene RTD.jpeg

Slika 1. Primjer dijagrama aplikacije RTD.

Struja pobude I1 prolazi kroz temperaturno ovisan otpor senzora. Ovo proizvodi signal napona koji je proporcionalan struji pobude i otporu RTD-a. Napon na RTD-u se zatim pojačava i šalje u ADC (analogno-digitalni pretvarač) za proizvodnju digitalnog izlaznog koda koji se može koristiti za izračunavanje RTD temperature.

Kompromisi upotrebe RTD senzora – prednosti i nedostaci RTD senzora

Prije nego zaronimo, važno je napomenuti da će detalji kondicioniranja RTD signala biti pokriveni u narednom članku. Za ovaj članak, Želim da istaknem neke osnovne kompromise kada se koriste RTD kola.

Prvo, imajte na umu da je struja pobude obično ograničena na oko 1 mA za minimiziranje efekata samozagrevanja. Kada struja pobude teče kroz RTD, generiše I2R ili Joule grijanje. Efekti samozagrijavanja mogu podići temperaturu senzora na vrijednosti iznad temperature okoline koja se stvarno mjeri. Smanjenje struje pobude može smanjiti efekat samozagrevanja. Također je vrijedno spomenuti da učinak samozagrijavanja ovisi o mediju u koji je RTD uronjen. Na primjer, RTD postavljen u mirni zrak može imati značajnije efekte samozagrijavanja nego RTD uronjen u tekuću vodu.

Za datu temperaturnu promjenu koja se može otkriti, promjena RTD napona bi trebala biti dovoljno velika da prevaziđe sistemsku buku, kao i pomake i pomake različitih parametara sistema. Budući da samozagrijavanje ograničava struju pobude, moramo koristiti RTD sa dovoljno velikim otporom, čime se generiše veliki napon za blok za obradu signala nizvodno. Dok je velika otpornost RTD poželjna da bi se smanjile greške mjerenja, ne možemo proizvoljno povećati otpor jer veći RTD otpor rezultira sporijim vremenom odziva.

RTD Metals: Razlike između platine, Zlato, i bakreni RTD

U teoriji, bilo koja vrsta metala može se koristiti za izradu RTD-a. Prvi RTD koji je izumio CW Siemens u 1860 koristio bakarnu žicu. Međutim, Siemens je ubrzo otkrio da platinasti RTD daju preciznije rezultate u širem temperaturnom rasponu.

Danas, platinasti RTD su najčešće korišteni temperaturni senzori za precizno mjerenje temperature. Platina ima linearnu vezu otpor-temperatura i vrlo je ponovljiva u velikom temperaturnom rasponu. Osim toga, platina ne reaguje sa većinom zagađujućih gasova u vazduhu.

Pored platine, dva druga uobičajena RTD materijala su nikal i bakar. Table 1 daje temperaturne koeficijente i relativnu provodljivost nekih uobičajenih RTD metala.

Visokotemperaturni Pt100 platinasti senzor toplotne otpornosti otporan na eksploziju

WZP-130 231 PT100 temperaturni senzor otpornosti na platinu od nerđajućeg čelika

Termički otpornik pt100 senzor temperature za ležajeve

Table 1. Temperaturni koeficijenti i relativna provodljivost uobičajenih RTD metala. Podatke obezbjeđuje BAPI

U prethodnom odeljku, raspravljali smo o tome kako veći otpor RTD-a može smanjiti greške mjerenja. Bakar ima veću provodljivost (ili ekvivalentno, manji otpor) od platine i nikla. Za datu veličinu senzora i struju pobude, bakarni RTD može proizvesti relativno mali napon. Stoga, bakarni RTD-i mogu biti izazovniji za mjerenje malih temperaturnih promjena. Osim toga, bakar oksidira na višim temperaturama, tako da je opseg mjerenja također ograničen na -200 to +260 °C. Uprkos ovim ograničenjima, bakar se još uvijek koristi u nekim aplikacijama zbog svoje linearnosti i niske cijene. Kao što je prikazano na slici 2 ispod, od tri uobičajena RTD metala, bakar ima najlinearniju karakteristiku otpora i temperature.

Otpor vs. Temperaturne karakteristike nikla, Bakar, i platinasti RTDs.jpeg

Slika 2. Otpor vs. temperaturne karakteristike nikla, bakar, i platinasti RTD. Slika ljubaznošću TE Connectivity

Zlato i srebro također imaju relativno nisku otpornost i rijetko se koriste kao RTD elementi. Nikl ima provodljivost blizu platine. Kao što se može vidjeti na slici 2, nikl nudi promjenu otpora za datu promjenu temperature.

Međutim, nikl nudi niži temperaturni raspon, veća nelinearnost, i veći dugoročni pomak od platine. Dodatno, Otpornost nikla varira od serije do serije. Zbog ovih ograničenja, Nikal se prvenstveno koristi u jeftinim aplikacijama kao što su proizvodi široke potrošnje.

Uobičajeni platinasti RTD-ovi su Pt100 i Pt1000. Ovi nazivi opisuju vrstu metala koji se koristi u konstrukciji senzora (platina ili Pt) i nominalni otpor na 0 °C, koji je 100 Ω za Pt100 i 1000 Ω za tipove Pt100 i Pt1000, respektivno. Pt100 tipovi su bili popularniji u prošlosti; međutim, danas je trend prema RTD-ovima veće otpornosti, jer veći otpor pruža veću osjetljivost i rezoluciju uz male ili nikakve dodatne troškove. RTD napravljeni od bakra i nikla koriste slične konvencije imenovanja. Table 2 navodi neke uobičajene tipove.

Table 2. RTD tipovi, materijala, i temperaturnim rasponima. Podaci koje daje Analog Devices

Pored vrste metala koji se koristi, mehanička struktura RTD-a također utiče na performanse senzora. RTD se mogu podijeliti u dva osnovna tipa: tankim filmom i žicom. Ove dvije vrste će biti razmotrene u sljedećim odjeljcima.

Thin Film vs. Wirewound RTDs

Da produžimo našu diskusiju o RTD-ovima, istražimo dvije vrste: tankim filmom i žicom.

Osnove tankoslojnog RTD-a

Thin Film RTD Display Structure.jpeg

Struktura tipa tankog filma prikazana je na slici 3(a).

Slika 3. Primjeri tankoslojnih RTD-ova, gdje (a) prikazuje strukturu i (b) prikazuje različite ukupne tipove. Slika (modificirano) ljubaznošću Evosenzora

U tankom filmu RTD, tanak sloj platine nanosi se na keramičku podlogu. Nakon toga slijedi žarenje i stabilizacija na vrlo visokim temperaturama, i tanak zaštitni stakleni sloj koji pokriva cijeli element. Područje obrezivanja prikazano na slici 3(a) koristi se za podešavanje proizvedenog otpora na specificiranu ciljnu vrijednost.

Tankoslojni RTD se oslanjaju na relativno novu tehnologiju koja značajno smanjuje vrijeme montaže i troškove proizvodnje. U poređenju sa žičanim tipom, koje ćemo detaljno istražiti u sljedećem odjeljku, tankoslojni RTD su otporniji na oštećenja od udara ili vibracija. Dodatno, tankoslojni RTD mogu prihvatiti velike otpore na relativno malom području. Na primjer, a 1.6 mm by 2.6 mm senzor pruža dovoljno prostora za stvaranje otpora 1000 Oh. Zbog njihove male veličine, tankoslojni RTD mogu brzo da reaguju na promene temperature. Ovi uređaji su prikladni za mnoge primjene opće namjene. Nedostaci ovog tipa su relativno loša dugoročna stabilnost i uzak temperaturni raspon.

Wirewound RTDs

Izgradnja žičanog RTD-a

Slika 4. Pregled konstrukcije osnovnog žičanog RTD-a. Slika ljubaznošću PR Electronics

Ovaj tip RTD-a se pravi namotavanjem dužine platine oko keramičkog ili staklenog jezgra. Cijeli element je obično zatvoren u keramičku ili staklenu cijev radi zaštite. RTD sa keramičkim jezgrima pogodni su za mjerenje vrlo visokih temperatura. Žičani RTD su općenito precizniji od tipova tankog filma. Međutim, skuplji su i lakše se oštećuju vibracijama.

Da bi se smanjilo opterećenje platinaste žice, koeficijent termičke ekspanzije materijala korištenog u konstrukciji senzora trebao bi odgovarati platini. Identični koeficijenti termičke ekspanzije minimiziraju promjene otpora uzrokovane dugotrajnim naprezanjem u RTD elementu, čime se poboljšava ponovljivost i stabilnost senzora.

RTD vs. Thermocouple Properties

Da zaključimo ovaj razgovor o RTD senzorima temperature, evo kratkog poređenja između RTD i termoelementnih senzora.

Termopar proizvodi napon koji je proporcionalan temperaturnoj razlici između njegova dva spoja. Termoparovi su samonapajani i ne zahtijevaju eksternu pobudu, dok mjerenja temperature temeljena na RTD-u zahtijevaju pobudnu struju ili napon. Izlaz termoelementa određuje temperaturnu razliku između hladnog i vrućeg spoja, tako da je kompenzacija hladnog spoja potrebna u primjenama termoelemenata. S druge strane, kompenzacija hladnog spoja nije potrebna za RTD aplikacije, što rezultira jednostavnijim mjernim sistemom.

Termoparovi se obično koriste u -184 °C do 2300 Raspon °C, dok RTD mogu mjeriti od -200 °C do +850 °C. Iako su RTD-ovi općenito precizniji od termoparova, oni su otprilike dva do tri puta skuplji od termoparova. Druga razlika je u tome što su RTD-ovi linearniji od termoparova i pokazuju superiornu dugoročnu stabilnost. Sa termoelementima, hemijske promjene u materijalu senzora mogu smanjiti dugoročnu stabilnost i uzrokovati pomicanje očitavanja senzora.