Què és un sensor de detecció de temperatura de resistència tèrmica RTD?

Els detectors de temperatura de resistència o RTD poden ser tipus simples de sensors de temperatura. Aquests dispositius funcionen segons el principi que la resistència d'un metall canvia amb la temperatura. Els metalls purs generalment tenen un coeficient de resistència a la temperatura positiu, és a dir que la seva resistència augmenta a mesura que augmenta la temperatura. Els RTD funcionen en un ampli rang de temperatures -200 °C a +850 °C i ofereixen una gran precisió, excel·lent estabilitat a llarg termini, i repetibilitat.

MAX31865 Detector de temperatura de resistència de platí RTD PT100 & PT1000

Transmissor de temperatura RTD PT100 DC24V Minus 50 ~ 100 grau

Sonda de sensor de temperatura RTD Pt100 per al forn

En aquest article, parlarem dels avantatges d'utilitzar RTD, els metalls utilitzats en ells, els dos tipus de RTD, i com es comparen els RTD amb els termoparells.

Abans de capbussar-nos, fem una ullada a un diagrama d'aplicació d'exemple per entendre millor els conceptes bàsics de RTD.

Exemple de diagrama d'aplicació RTD

Els RTD són dispositius passius que no generen cap senyal de sortida per si mateixos. Figura 1 mostra un diagrama d'aplicació RTD simplificat.

Diagrama de circuit per a l'aplicació RTD Exemple.jpeg

Figura 1. Exemple de diagrama d'aplicació RTD.

El corrent d'excitació I1 passa per la resistència depenent de la temperatura del sensor. Això produeix un senyal de tensió que és proporcional al corrent d'excitació i la resistència del RTD. La tensió a través del RTD s'amplifica i s'envia a un ADC (convertidor analògic a digital) per produir un codi de sortida digital que es pot utilitzar per calcular la temperatura RTD.

Compensacions de l'ús de sensors RTD: avantatges i desavantatges dels sensors RTD

Abans de capbussar-nos, és important tenir en compte que els detalls del condicionament del senyal RTD es tractaran en un article futur. Per aquest article, Vull destacar algunes compensacions bàsiques quan s'utilitzen circuits RTD.

Primer, tingueu en compte que el corrent d'excitació normalment es limita al voltant 1 mA per minimitzar els efectes d'autoescalfament. Quan el corrent d'excitació flueix a través del RTD, genera escalfament I2R o Joule. Els efectes d'autoescalfament poden augmentar la temperatura del sensor a valors per sobre de la temperatura ambient que s'està mesurant realment. La reducció del corrent d'excitació pot reduir l'efecte d'autoescalfament. També val la pena esmentar que l'efecte d'autoescalfament depèn del medi en què estigui immers el RTD.. Per exemple, un RTD col·locat en aire tranquil pot experimentar efectes d'autoescalfament més significatius que un RTD immers en aigua corrent.

Per a un determinat canvi de temperatura detectable, el canvi en la tensió de RTD hauria de ser prou gran per superar el soroll del sistema, així com les compensacions i les derivacions dels diferents paràmetres del sistema.. Atès que l'autoescalfament limita el corrent d'excitació, hem d'utilitzar un RTD amb una resistència prou gran, generant així una gran tensió per al bloc de processament de senyal aigües avall. Mentre que una gran resistència RTD és desitjable per reduir els errors de mesura, no podem augmentar arbitràriament la resistència perquè una resistència RTD més gran provoca un temps de resposta més lent.

RTD Metalls: Diferències entre el platí, Or, i RTD de coure

En teoria, qualsevol tipus de metall es pot utilitzar per construir un RTD. El primer RTD inventat per CW Siemens a 1860 utilitzava un fil de coure. No obstant això, Siemens aviat va descobrir que els RTD de platí produïen resultats més precisos en un rang de temperatures més ampli.

Avui, Els RTD de platí són els sensors de temperatura més utilitzats per mesurar la temperatura amb precisió. El platí té una relació lineal resistència-temperatura i és altament repetible en un ampli rang de temperatures. A més, el platí no reacciona amb la majoria de gasos contaminants de l'aire.

A més de platí, altres dos materials de RTD comuns són el níquel i el coure. Taula 1 proporciona els coeficients de temperatura i la conductivitat relativa d'alguns metalls RTD comuns.

Sensor de resistència tèrmica de platí Pt100 d'alta temperatura a prova d'explosió

WZP-130 231 Sensor de temperatura PT100 d'acer inoxidable platí resistència

Sensor de temperatura de resistència tèrmica pt100 per a rodaments

Taula 1. Coeficients de temperatura i conductivitat relativa dels metalls RTD comuns. Dades facilitades per BAPI

A l'apartat anterior, vam discutir com una resistència RTD més gran pot reduir els errors de mesura. El coure té una conductivitat més alta (o equivalent, menor resistència) que el platí i el níquel. Per a una mida de sensor i corrent d'excitació determinats, un RTD de coure pot produir una tensió relativament petita. Per tant, Els RTD de coure poden ser més difícils de mesurar petits canvis de temperatura. A més, el coure s'oxida a temperatures més altes, de manera que el rang de mesura també es limita a -200 a +260 ° C. Malgrat aquestes limitacions, El coure encara s'utilitza en algunes aplicacions a causa de la seva linealitat i baix cost. Com es mostra a la figura 2 a sota, dels tres metalls RTD comuns, El coure té la característica de resistència-temperatura més lineal.

Resistència vs. Característiques de la temperatura del níquel, Coure, i Platinum RTDs.jpeg

Figura 2. Resistència vs. Característiques de temperatura del níquel, coure, i RTD de platí. Imatge cortesia de TE Connectivity

L'or i la plata també tenen una resistència relativament baixa i rarament s'utilitzen com a elements RTD. El níquel té una conductivitat propera a la del platí. Com es pot veure a la figura 2, el níquel ofereix un canvi de resistència per a un canvi determinat de temperatura.

No obstant això, el níquel ofereix un rang de temperatures més baix, major no linealitat, i una major deriva a llarg termini que el platí. A més, La resistència del níquel varia de lot a lot. Per aquestes limitacions, el níquel s'utilitza principalment en aplicacions de baix cost, com ara productes de consum.

Els RTD de platí comuns són Pt100 i Pt1000. Aquests noms descriuen el tipus de metall utilitzat en la construcció del sensor (platí o Pt) i la resistència nominal a 0 ° C, que és 100 Ω per Pt100 i 1000 Ω per als tipus Pt100 i Pt1000, respectivament. Els tipus Pt100 eren més populars en el passat; tanmateix, avui la tendència és cap a RTD de major resistència, ja que una resistència més alta proporciona una major sensibilitat i resolució amb poc o cap cost addicional. Els RTD fets de coure i níquel utilitzen convencions de denominació similars. Taula 2 enumera alguns tipus comuns.

Taula 2. Tipus de RTD, materials, i intervals de temperatura. Dades proporcionades per Analog Devices

A més del tipus de metall utilitzat, l'estructura mecànica del RTD també afecta el rendiment del sensor. Els RTD es poden dividir en dos tipus bàsics: pel·lícula fina i bobinada. Aquests dos tipus es tractaran en els apartats següents.

Pel·lícula fina vs. RTD bobinats

Per aprofundir en la nostra discussió sobre RTD, anem a explorar dos tipus: pel·lícula fina i bobinada.

Conceptes bàsics de RTD de pel·lícula fina

Thin Film RTD Display Structure.jpeg

L'estructura del tipus de pel·lícula fina es mostra a la figura 3(a).

Figura 3. Exemples de RTD de pel·lícula fina, on (a) mostra l'estructura i (b) mostra els diferents tipus globals. Imatge (modificat) cortesia d'Evosensors

En una pel·lícula fina RTD, una fina capa de platí es diposita sobre un substrat ceràmic. Això és seguit d'un recuit i estabilització a molt alta temperatura, i una fina capa de vidre protectora que cobreix tot l'element. L'àrea de retall que es mostra a la figura 3(a) s'utilitza per ajustar la resistència fabricada a un valor objectiu especificat.

Els RTD de pel·lícula fina es basen en una tecnologia relativament nova que redueix significativament el temps de muntatge i els costos de producció. En comparació amb el tipus bobinat, que explorarem en profunditat en el següent apartat, Els RTD de pel·lícula fina són més resistents als danys per cops o vibracions. A més, Els RTD de pel·lícula prima poden acomodar grans resistències en una àrea relativament petita. Per exemple, a 1.6 mm per 2.6 El sensor mm proporciona una àrea suficient per produir una resistència de 1000 O. Per la seva petita mida, Els RTD de pel·lícula prima poden respondre ràpidament als canvis de temperatura. Aquests dispositius són adequats per a moltes aplicacions d'ús general. Els desavantatges d'aquest tipus són una estabilitat a llarg termini relativament pobra i un rang de temperatura estret.

RTD bobinats

Construcció d'un RTD bobinat

Figura 4. Visió general de la construcció d'un RTD bobinat bàsic. Imatge cortesia de PR Electronics

Aquest tipus de RTD es fa enrotllant una longitud de platí al voltant d'un nucli de ceràmica o vidre. L'element sencer s'acostuma a encapsular dins d'un tub de ceràmica o vidre amb finalitats de protecció. Els RTD amb nuclis ceràmics són adequats per mesurar temperatures molt elevades. Els RTD enrotllats són generalment més precisos que els tipus de pel·lícula prima. No obstant això, són més cars i es fan malbé més fàcilment per vibracions.

Per minimitzar qualsevol tensió al cable de platí, el coeficient d'expansió tèrmica del material utilitzat en la construcció del sensor hauria de coincidir amb el del platí. Els coeficients d'expansió tèrmica idèntics minimitzen els canvis de resistència causats per l'estrès a llarg termini en l'element RTD, millorant així la repetibilitat i l'estabilitat del sensor.

RTD vs. Propietats del termoparell

Per tancar aquesta conversa sobre els sensors de temperatura RTD, aquí hi ha una breu comparació entre sensors RTD i termoparells.

Un termoparell produeix una tensió que és proporcional a la diferència de temperatura entre les seves dues unions. Els termoparells són autoalimentats i no requereixen excitació externa, mentre que les mesures de temperatura basades en RTD requereixen un corrent o una tensió d'excitació. La sortida del termopar especifica la diferència de temperatura entre les unions fredes i calentes, de manera que es requereix compensació de la unió freda en aplicacions de termoparells. D'altra banda, La compensació de la unió freda no és necessària per a les aplicacions de RTD, resultant en un sistema de mesura més senzill.

Els termoparells s'utilitzen normalment a la -184 °C a 2300 rang °C, mentre que els RTD poden mesurar des de -200 °C a +850 ° C. Tot i que els RTD són generalment més precisos que els termoparells, són aproximadament dues o tres vegades més cars que els termoparells. Una altra diferència és que els RTD són més lineals que els termoparells i presenten una estabilitat superior a llarg termini. Amb termoparells, Els canvis químics en el material del sensor poden reduir l'estabilitat a llarg termini i fer que la lectura del sensor es desviï.