Was ist ein RTD-Temperaturerkennungssensor mit thermischem Widerstand??

Widerstandstemperaturdetektoren oder RTDs können einfache Arten von Temperatursensoren sein. Diese Geräte basieren auf dem Prinzip, dass sich der Widerstand eines Metalls mit der Temperatur ändert. Reine Metalle haben im Allgemeinen einen positiven Temperaturkoeffizienten des Widerstands, Das bedeutet, dass ihr Widerstand mit steigender Temperatur zunimmt. RTDs arbeiten in einem weiten Temperaturbereich von -200 ° C bis +850 °C und bieten eine hohe Genauigkeit, Ausgezeichnete langfristige Stabilität, und Wiederholbarkeit.

MAX31865 RTD Platin-Widerstandstemperaturdetektor PT100 & PT1000

RTD PT100 Temperatursender DC24V minus 50 ~ 100 Grad

RTD Pt100 Temperatursensorsonde für Ofen

In diesem Artikel, Wir werden die Kompromisse bei der Verwendung von RTDs diskutieren, die darin verwendeten Metalle, die beiden Arten von RTDs, und wie sich RTDs mit Thermoelementen vergleichen lassen.

Bevor wir eintauchen, Werfen wir einen Blick auf ein Beispielanwendungsdiagramm, um die RTD-Grundlagen besser zu verstehen.

Beispiel für ein RTD-Anwendungsdiagramm

RTDs sind passive Geräte, die selbst kein Ausgangssignal erzeugen. Figur 1 zeigt ein vereinfachtes RTD-Anwendungsdiagramm.

Schaltplan für RTD-Anwendung Beispiel.jpeg

Figur 1. Beispiel für ein RTD-Anwendungsdiagramm.

Der Erregerstrom I1 fließt durch den temperaturabhängigen Widerstand des Sensors. Dadurch entsteht ein Spannungssignal, das proportional zum Erregerstrom und zum Widerstand des RTD ist. Die Spannung am RTD wird dann verstärkt und an einen ADC gesendet (Analog-Digital-Konverter) um einen digitalen Ausgabecode zu erzeugen, der zur Berechnung der RTD-Temperatur verwendet werden kann.

Kompromisse bei der Verwendung von RTD-Sensoren – Vor- und Nachteile von RTD-Sensoren

Bevor wir eintauchen, Es ist wichtig zu beachten, dass die Details der RTD-Signalaufbereitung in einem zukünftigen Artikel behandelt werden. Für diesen Artikel, Ich möchte einige grundlegende Kompromisse bei der Verwendung von RTD-Schaltungen hervorheben.

Erste, Beachten Sie, dass der Erregerstrom normalerweise auf ca. begrenzt ist 1 mA, um Selbsterwärmungseffekte zu minimieren. Wenn der Erregerstrom durch den RTD fließt, es erzeugt I2R- oder Joule-Wärme. Durch Selbsterwärmungseffekte kann die Sensortemperatur auf Werte über der tatsächlich gemessenen Umgebungstemperatur ansteigen. Durch eine Reduzierung des Erregerstroms kann der Eigenerwärmungseffekt verringert werden. Erwähnenswert ist auch, dass der Selbsterwärmungseffekt vom Medium abhängt, in das der RTD eingetaucht ist. Zum Beispiel, Ein in ruhender Luft platzierter RTD kann stärkere Selbsterwärmungseffekte erfahren als ein RTD, der in fließendes Wasser eingetaucht ist.

Für eine gegebene erkennbare Temperaturänderung, Die Änderung der RTD-Spannung sollte groß genug sein, um Systemrauschen sowie Offsets und Drifts verschiedener Systemparameter zu überwinden. Da die Eigenerwärmung den Erregerstrom begrenzt, Wir müssen einen RTD mit einem ausreichend großen Widerstand verwenden, Dadurch wird eine große Spannung für den nachgeschalteten Signalverarbeitungsblock erzeugt. Während ein großer RTD-Widerstand wünschenswert ist, um Messfehler zu reduzieren, Wir können den Widerstand nicht beliebig erhöhen, da ein größerer RTD-Widerstand zu einer langsameren Reaktionszeit führt.

FTE-Metalle: Unterschiede zwischen Platin, Gold, und Kupfer-RTDs

Theoretisch, Für den Bau eines RTD kann jede Art von Metall verwendet werden. Der erste von CW Siemens erfundene RTD 1860 habe einen Kupferdraht verwendet. Jedoch, Siemens entdeckte bald, dass Platin-RTDs über einen größeren Temperaturbereich genauere Ergebnisse lieferten.

Heute, Platin-RTDs sind die am häufigsten verwendeten Temperatursensoren für präzise Temperaturmessungen. Platin weist ein lineares Widerstands-Temperatur-Verhältnis auf und ist über einen großen Temperaturbereich hinweg sehr gut reproduzierbar. Zusätzlich, Platin reagiert nicht mit den meisten Schadstoffgasen in der Luft.

Neben Platin, Zwei weitere gängige RTD-Materialien sind Nickel und Kupfer. Tisch 1 Bietet die Temperaturkoeffizienten und die relative Leitfähigkeit einiger gängiger RTD-Metalle.

Hochtemperatur-Pt100-Platin-Wärmewiderstandssensor, explosionsgeschützt

WZP-130 231 Platin-Widerstands-PT100-Temperatursensor aus Edelstahl

Thermowiderstand pt100 Temperatursensor für Lager

Tisch 1. Temperaturkoeffizienten und relative Leitfähigkeit üblicher RTD-Metalle. Von BAPI bereitgestellte Daten

Im vorherigen Abschnitt, Wir haben diskutiert, wie ein größerer RTD-Widerstand Messfehler reduzieren kann. Kupfer hat eine höhere Leitfähigkeit (oder gleichwertig, geringerer Widerstand) als Platin und Nickel. Für eine gegebene Sensorgröße und einen gegebenen Erregerstrom, Ein Kupfer-RTD kann eine relativ kleine Spannung erzeugen. daher, Kupfer-RTDs können bei der Messung kleiner Temperaturänderungen eine größere Herausforderung darstellen. Zusätzlich, Kupfer oxidiert bei höheren Temperaturen, Daher ist auch der Messbereich begrenzt -200 Zu +260 °C. Trotz dieser Einschränkungen, Aufgrund seiner Linearität und geringen Kosten wird Kupfer in einigen Anwendungen immer noch verwendet. Wie in Abbildung gezeigt 2 unten, der drei gängigen RTD-Metalle, Kupfer weist die linearste Widerstands-Temperatur-Kennlinie auf.

Widerstand vs. Temperatureigenschaften von Nickel, Kupfer, und Platinum RTDs.jpeg

Figur 2. Widerstand vs. Temperatureigenschaften von Nickel, Kupfer, und Platin-RTDs. Bild mit freundlicher Genehmigung von TE Connectivity

Auch Gold und Silber haben einen relativ geringen Widerstand und werden selten als RTD-Elemente verwendet. Nickel hat eine ähnliche Leitfähigkeit wie Platin. Wie in der Abbildung zu sehen ist 2, Nickel bietet eine Widerstandsänderung bei einer bestimmten Temperaturänderung.

Jedoch, Nickel bietet einen niedrigeren Temperaturbereich, größere Nichtlinearität, und eine größere Langzeitdrift als Platin. Zusätzlich, Die Beständigkeit von Nickel variiert von Charge zu Charge. Aufgrund dieser Einschränkungen, Nickel wird hauptsächlich in kostengünstigen Anwendungen wie Konsumgütern verwendet.

Gängige Platin-RTDs sind Pt100 und Pt1000. Diese Namen beschreiben die Art des Metalls, das bei der Konstruktion des Sensors verwendet wird (Platin oder Pt) und der Nennwiderstand bei 0 °C, Welches ist 100 Ω für Pt100 und 1000 Ω für Pt100- und Pt1000-Typen, jeweils. Früher waren Pt100-Typen beliebter; Jedoch, Heute geht der Trend zu RTDs mit höherem Widerstand, da ein höherer Widerstand eine höhere Empfindlichkeit und Auflösung bei geringen oder keinen zusätzlichen Kosten bietet. RTDs aus Kupfer und Nickel verwenden ähnliche Namenskonventionen. Tisch 2 listet einige gängige Typen auf.

Tisch 2. RTD-Typen, Materialien, und Temperaturbereiche. Daten bereitgestellt von Analog Devices

Zusätzlich zur Art des verwendeten Metalls, Auch die mechanische Struktur des RTD beeinflusst die Sensorleistung. RTDs können in zwei Grundtypen unterteilt werden: dünnschichtig und drahtgewickelt. Diese beiden Typen werden in den folgenden Abschnitten besprochen.

Dünnschicht vs. Drahtgewickelte RTDs

Um unsere Diskussion über FTE voranzutreiben, Lassen Sie uns zwei Arten untersuchen: dünnschichtig und drahtgewickelt.

Grundlagen der Dünnschicht-RTD

Dünnschicht-RTD-Anzeigestruktur.jpeg

Die Struktur des Dünnfilmtyps ist in Abbildung dargestellt 3(A).

Figur 3. Beispiele für Dünnschicht-RTDs, Wo (A) zeigt die Struktur und (B) zeigt die verschiedenen Gesamttypen. Bild (modifiziert) Mit freundlicher Genehmigung von Evosensors

In einem Dünnschicht-RTD, Auf einem Keramiksubstrat wird eine dünne Platinschicht abgeschieden. Anschließend erfolgt das Glühen und Stabilisieren bei sehr hoher Temperatur, und eine dünne Schutzglasschicht, die das gesamte Element bedeckt. Der in der Abbildung dargestellte Beschneidebereich 3(A) dient dazu, den hergestellten Widerstand auf einen vorgegebenen Zielwert einzustellen.

Dünnschicht-RTDs basieren auf einer relativ neuen Technologie, die die Montagezeit und die Produktionskosten erheblich reduziert. Im Vergleich zum drahtgewickelten Typ, worauf wir im nächsten Abschnitt näher eingehen werden, Dünnschicht-RTDs sind widerstandsfähiger gegen Schäden durch Stöße oder Vibrationen. Zusätzlich, Dünnschicht-RTDs können große Widerstände auf relativ kleiner Fläche unterbringen. Zum Beispiel, A 1.6 mm von 2.6 Der mm-Sensor bietet genügend Fläche, um einen Widerstand von zu erzeugen 1000 Oh. Aufgrund ihrer geringen Größe, Dünnschicht-RTDs können schnell auf Temperaturänderungen reagieren. Diese Geräte eignen sich für viele allgemeine Anwendungen. Die Nachteile dieses Typs sind eine relativ schlechte Langzeitstabilität und ein enger Temperaturbereich.

Drahtgewickelte RTDs

Aufbau eines drahtgewickelten RTD

Figur 4. Überblick über den Aufbau eines einfachen drahtgewickelten RTD. Bild mit freundlicher Genehmigung von PR Electronics

Dieser RTD-Typ wird hergestellt, indem ein Stück Platin um einen Keramik- oder Glaskern gewickelt wird. Das gesamte Element ist aus Schutzgründen normalerweise in einer Keramik- oder Glasröhre eingekapselt. Widerstandsthermometer mit Keramikkern eignen sich zur Messung sehr hoher Temperaturen. Drahtgewickelte RTDs sind im Allgemeinen genauer als Dünnschicht-RTDs. Jedoch, Sie sind teurer und werden durch Vibrationen leichter beschädigt.

Um jegliche Belastung des Platindrahtes zu minimieren, Der Wärmeausdehnungskoeffizient des in der Sensorkonstruktion verwendeten Materials sollte dem des Platins entsprechen. Identische Wärmeausdehnungskoeffizienten minimieren Widerstandsänderungen, die durch Langzeitspannung im RTD-Element verursacht werden, Dadurch wird die Wiederholbarkeit und Stabilität des Sensors verbessert.

RTD vs. Eigenschaften von Thermoelementen

Zum Abschluss dieses Gesprächs über RTD-Temperatursensoren, Hier ist ein kurzer Vergleich zwischen RTD- und Thermoelementsensoren.

Ein Thermoelement erzeugt eine Spannung, die proportional zur Temperaturdifferenz zwischen seinen beiden Verbindungsstellen ist. Thermoelemente sind energieautark und benötigen keine externe Erregung, wohingegen RTD-basierte Temperaturmessungen einen Erregerstrom oder eine Erregerspannung erfordern. Der Thermoelementausgang gibt den Temperaturunterschied zwischen der Kalt- und Heißstelle an, Daher ist bei Thermoelementanwendungen eine Vergleichsstellenkompensation erforderlich. Auf der anderen Seite, Für RTD-Anwendungen ist keine Vergleichsstellenkompensation erforderlich, was zu einem einfacheren Messsystem führt.

Thermoelemente werden typischerweise in der verwendet -184 ° C bis 2300 °C-Bereich, während RTDs messen können -200 ° C bis +850 °C. Obwohl RTDs im Allgemeinen genauer sind als Thermoelemente, Sie sind etwa zwei- bis dreimal teurer als Thermoelemente. Ein weiterer Unterschied besteht darin, dass RTDs linearer als Thermoelemente sind und eine überlegene Langzeitstabilität aufweisen. Mit Thermoelementen, Chemische Veränderungen im Sensormaterial können die Langzeitstabilität beeinträchtigen und zu einer Abweichung des Sensormesswerts führen.