Co je to senzor detekce teploty tepelného rezistoru RTD?

Odporové teplotní detektory nebo RTD mohou být jednoduché typy teplotních senzorů. Tato zařízení fungují na principu, že odpor kovu se mění s teplotou. Čisté kovy mají obecně kladný teplotní koeficient odporu, což znamená, že jejich odpor se zvyšuje s rostoucí teplotou. RTD pracují v širokém teplotním rozsahu -200 ° C až +850 °C a nabízejí vysokou přesnost, vynikající dlouhodobá stabilita, a opakovatelnost.

MAX31865 RTD platinový odporový teplotní detektor PT100 & PT1000

RTD PT100 TEATTERN TORALITTER DC24V MINUS 50 ~ 100 stupeň

RTD Pt100 sonda teplotního čidla pro troubu

V tomto článku, budeme diskutovat o kompromisech používání RTD, kovy v nich použité, dva typy RTD, a jak se RTD porovnávají s termočlánky.

Než se ponoříme, podívejme se na příklad diagramu aplikace, abychom lépe porozuměli základům RTD.

Příklad aplikačního diagramu RTD

RTD jsou pasivní zařízení, která sama o sobě negenerují výstupní signál. Postava 1 ukazuje zjednodušené schéma aplikace RTD.

Schéma zapojení pro příklad aplikace RTD.jpeg

Postava 1. Příklad aplikačního diagramu RTD.

Budicí proud I1 prochází teplotně závislým odporem snímače. To vytváří napěťový signál, který je úměrný budícímu proudu a odporu RTD. Napětí na RTD je poté zesíleno a odesláno do ADC (analogově-digitální převodník) k vytvoření digitálního výstupního kódu, který lze použít k výpočtu teploty RTD.

Kompromisy používání RTD senzorů – Výhody a nevýhody RTD senzorů

Než se ponoříme, je důležité poznamenat, že podrobnosti o úpravě signálu RTD budou popsány v budoucím článku. Pro tento článek, Chci zdůraznit některé základní kompromisy při použití obvodů RTD.

První, všimněte si, že budicí proud je obvykle omezen na přibližně 1 mA, aby se minimalizovaly účinky samozahřívání. Když budicí proud protéká RTD, generuje ohřev I2R nebo Joule. Samozahřívací efekty mohou zvýšit teplotu senzoru na hodnoty nad okolní teplotu, která je aktuálně měřena. Snížením budícího proudu lze snížit samozahřívací efekt. Za zmínku také stojí, že samozahřívací efekt závisí na médiu, ve kterém je RTD ponořen. Například, RTD umístěný v klidném vzduchu může vykazovat významnější účinky samoohřevu než RTD ponořený do proudící vody.

Pro danou zjistitelnou změnu teploty, změna napětí RTD by měla být dostatečně velká, aby překonala systémový šum a také odchylky a posuny různých parametrů systému. Protože samozahřívání omezuje budicí proud, musíme použít RTD s dostatečně velkým odporem, čímž se generuje velké napětí pro výstupní blok zpracování signálu. Zatímco velký odpor RTD je žádoucí pro snížení chyb měření, nemůžeme libovolně zvyšovat odpor, protože větší odpor RTD má za následek pomalejší dobu odezvy.

RTD kovy: Rozdíly mezi platinou, Zlato, a měděné RTD

Teoreticky, pro konstrukci RTD lze použít jakýkoli druh kovu. První RTD vynalezený CW Siemens v r 1860 použil měděný drát. Však, Siemens brzy zjistil, že platinové RTD poskytují přesnější výsledky v širším teplotním rozsahu.

Dnes, platinové RTD jsou nejpoužívanější teplotní senzory pro přesné měření teploty. Platina má lineární vztah mezi odporem a teplotou a je vysoce opakovatelná ve velkém rozsahu teplot. Navíc, platina nereaguje s většinou znečišťujících plynů ve vzduchu.

Kromě platiny, dva další běžné RTD materiály jsou nikl a měď. Tabulka 1 poskytuje teplotní koeficienty a relativní vodivost některých běžných kovů RTD.

Vysokoteplotní platinové teplotní odporové čidlo Pt100 odolné proti výbuchu

WZP-130 231 Nerezový platinový odporový teplotní snímač PT100

Tepelný odporový snímač teploty pt100 pro ložiska

Tabulka 1. Teplotní koeficienty a relativní vodivost běžných RTD kovů. Údaje poskytl BAPI

V předchozí části, diskutovali jsme o tom, jak větší odpor RTD může snížit chyby měření. Měď má vyšší vodivost (nebo ekvivalentně, nižší odpor) než platina a nikl. Pro danou velikost snímače a budící proud, měděný RTD může produkovat relativně malé napětí. Proto, Měděné RTD mohou být náročnější na měření malých teplotních změn. Navíc, měď při vyšších teplotách oxiduje, takže rozsah měření je také omezen na -200 na +260 ° C.. I přes tato omezení, měď se stále používá v některých aplikacích kvůli její linearitě a nízké ceně. Jak je znázorněno na obrázku 2 níže, ze tří běžných RTD kovů, měď má nejlineárnější odpor-teplotní charakteristiku.

Odpor vs. Teplotní charakteristiky niklu, Měď, a Platinové RTDs.jpeg

Postava 2. Odpor vs. teplotní charakteristiky niklu, měď, a platinové RTD. Obrázek se svolením TE Connectivity

Zlato a stříbro mají také relativně nízký odpor a jako prvky RTD se používají jen zřídka. Nikl má vodivost blízkou vodivosti platiny. Jak je vidět na obrázku 2, nikl nabízí změnu odporu pro danou změnu teploty.

Však, nikl nabízí nižší teplotní rozsah, větší nelinearita, a větší dlouhodobý drift než platina. Navíc, Odolnost niklu se liší od šarže k šarži. Kvůli těmto omezením, nikl se používá především v levných aplikacích, jako jsou spotřební výrobky.

Běžné platinové RTD jsou Pt100 a Pt1000. Tyto názvy popisují typ kovu použitého v konstrukci senzoru (platina nebo Pt) a jmenovitý odpor při 0 ° C., což je 100 Ω pro Pt100 a 1000 Ω pro typy Pt100 a Pt1000, respektive. Typy Pt100 byly v minulosti populárnější; však, dnes je trend směrem k RTD s vyšší odolností, protože vyšší odpor poskytuje větší citlivost a rozlišení za malé nebo žádné dodatečné náklady. RTD vyrobené z mědi a niklu používají podobné konvence pojmenování. Tabulka 2 uvádí některé běžné typy.

Tabulka 2. Typy RTD, materiálů, a teplotní rozsahy. Údaje poskytnuté společností Analog Devices

Kromě typu použitého kovu, mechanická struktura RTD také ovlivňuje výkon snímače. RTD lze rozdělit na dva základní typy: tenkého filmu a drátu. Tyto dva typy budou diskutovány v následujících částech.

Tenký film vs. Drátové RTD

Pro další diskusi o RTD, prozkoumáme dva typy: tenkého filmu a drátu.

Základy RTD tenkých vrstev

Thin Film RTD Display Structure.jpeg

Struktura typu tenkého filmu je znázorněna na obrázku 3(A).

Postava 3. Příklady tenkovrstvých RTD, kde (A) ukazuje strukturu a (b) ukazuje různé celkové typy. Obraz (upraveno) s laskavým svolením společnosti Evosensors

V tenké vrstvě RTD, tenká vrstva platiny je nanesena na keramický substrát. Následuje velmi vysoké teplotní žíhání a stabilizace, a tenkou ochrannou skleněnou vrstvu pokrývající celý prvek. Oblast ořezu znázorněná na obrázku 3(A) se používá k nastavení vyrobeného odporu na zadanou cílovou hodnotu.

Tenkovrstvé RTD se spoléhají na relativně novou technologii, která výrazně snižuje dobu montáže a výrobní náklady. V porovnání s drátěným typem, kterou podrobně prozkoumáme v další části, tenkovrstvé RTD jsou odolnější vůči poškození otřesy nebo vibracemi. Navíc, tenkovrstvé RTD mohou pojmout velké odpory na relativně malé ploše. Například, A 1.6 mm o 2.6 mm senzor poskytuje dostatečnou plochu pro vytvoření odporu 1000 Ó. Kvůli jejich malé velikosti, thin-film RTDs can respond quickly to temperature changes. These devices are suitable for many general-purpose applications. The disadvantages of this type are relatively poor long-term stability and a narrow temperature range.

Drátové RTD

Construction of a Wirewound RTD

Postava 4. Overview of the construction of a basic wirewound RTD. Image courtesy of PR Electronics

This type of RTD is made by winding a length of platinum around a ceramic or glass core. The entire element is usually encapsulated within a ceramic or glass tube for protection purposes. RTDs with ceramic cores are suitable for measuring very high temperatures. Wirewound RTDs are generally more accurate than thin-film types. Však, they are more expensive and more easily damaged by vibration.

To minimize any strain on the platinum wire, koeficient tepelné roztažnosti materiálu použitého v konstrukci snímače by měl odpovídat koeficientu platiny. Identické koeficienty tepelné roztažnosti minimalizují změny odporu způsobené dlouhodobým namáháním prvku RTD, čímž se zlepšuje opakovatelnost a stabilita snímače.

RTD vs. Vlastnosti termočlánku

Abychom uzavřeli tento rozhovor o RTD teplotních senzorech, zde je krátké srovnání mezi RTD a termočlánkovými senzory.

Termočlánek vytváří napětí, které je úměrné teplotnímu rozdílu mezi jeho dvěma přechody. Termočlánky jsou samonapájecí a nevyžadují externí buzení, zatímco měření teploty založená na RTD vyžadují budicí proud nebo napětí. Výstup termočlánku specifikuje teplotní rozdíl mezi studeným a horkým spojem, takže v termočlánkových aplikacích je vyžadována kompenzace studeného konce. Na druhé straně, kompenzace studeného konce není u aplikací RTD vyžadována, výsledkem je jednodušší systém měření.

Termočlánky se obvykle používají v -184 ° C až 2300 rozsah °C, zatímco RTD mohou měřit od -200 ° C až +850 ° C.. Ačkoli RTD jsou obecně přesnější než termočlánky, jsou přibližně dvakrát až třikrát dražší než termočlánky. Dalším rozdílem je, že RTD jsou lineárnější než termočlánky a vykazují vynikající dlouhodobou stabilitu. S termočlánky, chemické změny v materiálu senzoru mohou snížit dlouhodobou stabilitu a způsobit posun naměřených hodnot senzoru.