Τι είναι ο αισθητήρας ανίχνευσης θερμοκρασίας με θερμική αντίσταση RTD?

Οι ανιχνευτές θερμοκρασίας αντίστασης ή RTD μπορεί να είναι απλοί τύποι αισθητήρων θερμοκρασίας. Αυτές οι συσκευές λειτουργούν με την αρχή ότι η αντίσταση ενός μετάλλου αλλάζει με θερμοκρασία. Τα καθαρά μέταλλα έχουν γενικά θετικό συντελεστή αντίστασης, Σημαίνει ότι η αντίσταση τους αυξάνεται καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία. Οι RTD λειτουργούν σε ευρεία κλίμακα θερμοκρασίας -200 ° C +850 ° C και προσφέρετε υψηλή ακρίβεια, Εξαιρετική μακροπρόθεσμη σταθερότητα, και την επαναληψιμότητα.

MAX31865 RTD Platinum Resistance Nemementseticer PT100 & PT1000

RTD PT100 Θερμοκρασία πομπός DC24V μείον 50 ~ 100 βαθμός

RTD PT100 Αισθητήρας θερμοκρασίας για το φούρνο

Σε αυτό το άρθρο, Θα συζητήσουμε τα συμβιβασμούς της χρήσης RTDs, τα μέταλλα που χρησιμοποιούνται σε αυτά, οι δύο τύποι RTD, και πώς συγκρίνονται οι RTDs με θερμοστοιχεία.

Πριν βουτήξουμε, Ας ρίξουμε μια ματιά σε ένα παράδειγμα διαγράμματος εφαρμογής για να κατανοήσουμε καλύτερα τα βασικά στοιχεία RTD.

Παράδειγμα διάγραμμα εφαρμογής RTD

Οι RTD είναι παθητικές συσκευές που δεν παράγουν σήμα εξόδου μόνοι τους. Εικόνα 1 δείχνει ένα απλοποιημένο διάγραμμα εφαρμογής RTD.

Διάγραμμα κυκλώματος για την εφαρμογή RTD application applice.jpeg

Εικόνα 1. Παράδειγμα διάγραμμα εφαρμογής RTD.

Το ρεύμα διέγερσης I1 διέρχεται από την εξαρτώμενη από τη θερμοκρασία αντίσταση του αισθητήρα. Αυτό παράγει ένα σήμα τάσης που είναι ανάλογο με το ρεύμα διέγερσης και την αντίσταση του RTD. Στη συνέχεια, η τάση σε όλη την RTD ενισχύεται και αποστέλλεται σε ADC (αναλογικός μετατροπέας) για την παραγωγή ενός ψηφιακού κώδικα εξόδου που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον υπολογισμό της θερμοκρασίας RTD.

Συμπλήξεις χρήσης αισθητήρων RTD - Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα των αισθητήρων RTD

Πριν βουτήξουμε, Είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι οι λεπτομέρειες της προετοιμασίας σήματος RTD θα καλύπτονται σε ένα μελλοντικό άρθρο. Για αυτό το άρθρο, Θέλω να επισημάνω μερικές βασικές συμφωνίες όταν χρησιμοποιώ κυκλώματα RTD.

Πρώτα, Σημειώστε ότι το ρεύμα διέγερσης συνήθως περιορίζεται 1 MA για να ελαχιστοποιήσετε τα εφέ αυτοθεραπείας. Όταν το ρεύμα διέγερσης ρέει μέσω του RTD, δημιουργεί θέρμανση i2r ή joule. Τα αποτελέσματα αυτοθεραπείας μπορούν να αυξήσουν τη θερμοκρασία του αισθητήρα σε τιμές πάνω από τη θερμοκρασία περιβάλλοντος που πραγματικά μετράται. Η μείωση του ρεύματος διέγερσης μπορεί να μειώσει το εφέ αυτοθεραπείας. Αξίζει επίσης να σημειωθεί ότι η αυτοθεραπεία εξαρτάται από το μέσο στο οποίο βυθίζεται η RTD. Για παράδειγμα, Ένα RTD που τοποθετείται στον αέρα μπορεί να παρουσιάσει πιο σημαντικές αυτοθεραπευτικές επιδράσεις από ό, τι ένα RTD που βυθίζεται σε ρέον νερό.

Για μια δεδομένη ανιχνεύσιμη αλλαγή θερμοκρασίας, Η μεταβολή της τάσης RTD θα πρέπει να είναι αρκετά μεγάλη ώστε να ξεπεράσει το θόρυβο του συστήματος καθώς και τις αντισταθμίσεις και τις μετακινήσεις διαφορετικών παραμέτρων του συστήματος. Δεδομένου ότι η αυτοθεραπεία περιορίζει το ρεύμα διέγερσης, Πρέπει να χρησιμοποιήσουμε ένα RTD με αρκετά μεγάλη αντίσταση, δημιουργώντας έτσι μια μεγάλη τάση για το κατάντη μπλοκ επεξεργασίας σήματος. Ενώ μια μεγάλη αντίσταση RTD είναι επιθυμητή για τη μείωση των σφαλμάτων μέτρησης, Δεν μπορούμε να αυξήσουμε αυθαίρετα την αντίσταση επειδή μια μεγαλύτερη αντίσταση RTD έχει ως αποτέλεσμα έναν πιο αργό χρόνο απόκρισης.

RTD μέταλλα: Διαφορές μεταξύ της πλατίνας, Χρυσός, και χαλκό RTDS

Θεωρητικά, Οποιοδήποτε είδος μετάλλου μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή ενός RTD. Το πρώτο RTD που εφευρέθηκε από την CW Siemens στο 1860 χρησιμοποίησε ένα σύρμα χαλκού. Ωστόσο, Η Siemens ανακάλυψε σύντομα ότι τα RTD Platinum παρήγαγαν πιο ακριβή αποτελέσματα σε ένα ευρύτερο εύρος θερμοκρασίας.

Σήμερα, Τα RTD Platinum είναι οι πιο ευρέως χρησιμοποιούμενες αισθητήρες θερμοκρασίας για μέτρηση θερμοκρασίας ακριβείας. Το Platinum έχει σχέση γραμμικής αντίστασης-θερμοκρασίας και είναι εξαιρετικά επαναλαμβανόμενη σε μεγάλο εύρος θερμοκρασίας. Εξάλλου, Το Platinum δεν αντιδρά με τα περισσότερα ρύπικά αέρια στον αέρα.

Εκτός από την πλατίνα, Δύο άλλα κοινά υλικά RTD είναι το νικέλιο και ο χαλκός. Τραπέζι 1 Παρέχει τους συντελεστές θερμοκρασίας και τη σχετική αγωγιμότητα ορισμένων κοινών μετάλλων RTD.

Υψηλή θερμοκρασία PT100 Platinum Θερμική αντίσταση Έκρηξη Αισθητήρα Αισθητήρα

WZP-130 231 Ανοξείδωτο χάλυβα Αντοχή PT100

Θερμική αντίσταση PT100 Αισθητήρας θερμοκρασίας για ρουλεμάν

Τραπέζι 1. Οι συντελεστές θερμοκρασίας και η σχετική αγωγιμότητα των κοινών μετάλλων RTD. Δεδομένα που παρέχονται από το BAPI

Στην προηγούμενη ενότητα, Συζητήσαμε πώς η μεγαλύτερη αντίσταση RTD μπορεί να μειώσει τα σφάλματα μέτρησης. Ο χαλκός έχει υψηλότερη αγωγιμότητα (ή ισοδύναμα, χαμηλότερη αντίσταση) από την πλατίνα και το νικέλιο. Για ένα δεδομένο μέγεθος αισθητήρα και ρεύμα διέγερσης, Ένα χαλκό RTD μπορεί να παράγει μια σχετικά μικρή τάση. Επομένως, Οι RTD του χαλκού μπορεί να είναι πιο δύσκολο για τη μέτρηση των μικρών αλλαγών θερμοκρασίας. Εξάλλου, Το χαλκό οξειδώνεται σε υψηλότερες θερμοκρασίες, Έτσι, το εύρος μέτρησης περιορίζεται επίσης σε -200 να +260 °C. Παρά τους περιορισμούς αυτούς, Ο χαλκός εξακολουθεί να χρησιμοποιείται σε ορισμένες εφαρμογές λόγω της γραμμικότητάς του και του χαμηλού κόστους. Όπως φαίνεται στο σχήμα 2 παρακάτω, από τα τρία κοινά μέταλλα RTD, Ο χαλκός έχει το πιο γραμμικό χαρακτηριστικό της θερμοκρασίας αντίστασης.

Αντίσταση vs. Χαρακτηριστικά θερμοκρασίας του νικελίου, Χαλκός, και Platinum rtds.jpeg

Εικόνα 2. Αντίσταση vs. Χαρακτηριστικά θερμοκρασίας του νικελίου, χαλκός, και RTD Platinum. Εικόνα Ευγενική προσφορά της συνδεσιμότητας TE

Το χρυσό και το ασήμι έχουν επίσης σχετικά χαμηλή αντίσταση και σπάνια χρησιμοποιούνται ως στοιχεία RTD. Το νικέλιο έχει αγωγιμότητα κοντά σε αυτή της πλατίνας. Όπως μπορεί να φανεί στο σχήμα 2, Το νικέλιο προσφέρει μια αλλαγή στην αντίσταση για μια δεδομένη αλλαγή της θερμοκρασίας.

Ωστόσο, Το νικέλιο προσφέρει χαμηλότερο εύρος θερμοκρασίας, μεγαλύτερη μη γραμμικότητα, και μεγαλύτερη μακροπρόθεσμη μετατόπιση από την πλατίνα. Επιπλέον, Η αντίσταση του νικελίου ποικίλλει από παρτίδα έως παρτίδα. Λόγω αυτών των περιορισμών, Το νικέλιο χρησιμοποιείται κυρίως σε εφαρμογές χαμηλού κόστους όπως τα καταναλωτικά προϊόντα.

Τα κοινά RTD Platinum είναι PT100 και PT1000. Αυτά τα ονόματα περιγράφουν τον τύπο μετάλλου που χρησιμοποιείται στην κατασκευή του αισθητήρα (πλατίνα ή PT) και την ονομαστική αντίσταση στο 0 °C, δηλαδή 100 Ω για PT100 και 1000 Ω για τύπους PT100 και PT1000, αντίστοιχα. Οι τύποι PT100 ήταν πιο δημοφιλείς στο παρελθόν; ωστόσο, Σήμερα η τάση είναι προς υψηλότερη αντίσταση RTD, Καθώς η υψηλότερη αντίσταση παρέχει μεγαλύτερη ευαισθησία και ανάλυση σε ελάχιστο ή καθόλου πρόσθετο κόστος. Οι RTD που κατασκευάζονται από χαλκό και νικέλιο χρησιμοποιούν παρόμοιες συμβάσεις ονομασίας. Τραπέζι 2 παραθέτει μερικούς κοινούς τύπους.

Τραπέζι 2. Τύποι RTD, υλικά, και σειρές θερμοκρασίας. Δεδομένα που παρέχονται από αναλογικές συσκευές

Εκτός από τον τύπο μετάλλου που χρησιμοποιείται, Η μηχανική δομή του RTD επηρεάζει επίσης την απόδοση του αισθητήρα. Οι RTD μπορούν να χωριστούν σε δύο βασικούς τύπους: λεπτή μεμβράνη και καλωδιακά. Αυτοί οι δύο τύποι θα συζητηθούν στις ακόλουθες ενότητες.

Λεπτή ταινία έναντι. RTDS

Για να προωθήσουμε τη συζήτησή μας για τα RTD, Ας εξερευνήσουμε δύο τύπους: λεπτή μεμβράνη και καλωδιακά.

Βασικά στοιχεία RTD λεπτής μεμβράνης

Λεπτή ταινία RTD δομή οθόνης.jpeg

Η δομή του τύπου λεπτού φιλμ παρουσιάζεται στο σχήμα 3(ένα).

Εικόνα 3. Παραδείγματα rtds λεπτού φιλμ, όπου (ένα) δείχνει τη δομή και (σι) δείχνει τους διαφορετικούς συνολικούς τύπους. Εικών (τροποποιημένος) Ευγενική προσφορά των evosensors

Σε ένα λεπτό φιλμ RTD, Ένα λεπτό στρώμα πλατίνας εναποτίθεται σε ένα κεραμικό υπόστρωμα. Ακολουθείται η ανόπτηση και σταθεροποίηση πολύ υψηλής θερμοκρασίας, και ένα λεπτό προστατευτικό γυάλινο στρώμα που καλύπτει ολόκληρο το στοιχείο. Η περιοχή κοπής που φαίνεται στο σχήμα 3(ένα) Χρησιμοποιείται για την προσαρμογή της κατασκευής αντίστασης σε μια συγκεκριμένη τιμή προορισμού.

Τα RTDs Thin Film βασίζονται σε σχετικά νέα τεχνολογία που μειώνει σημαντικά το χρόνο συναρμολόγησης και το κόστος παραγωγής. Σε σύγκριση με τον τύπο καλωδίου, που θα εξερευνήσουμε σε βάθος στην επόμενη ενότητα, Τα RTD λεπτών μεμβρανών είναι πιο ανθεκτικές σε ζημιές από σοκ ή κραδασμούς. Επιπλέον, Τα RTD με λεπτό φιλμ μπορεί να φιλοξενήσουν μεγάλες αντιστάσεις σε μια σχετικά μικρή περιοχή. Για παράδειγμα, ένα 1.6 mm από 2.6 Ο αισθητήρας MM παρέχει αρκετή περιοχή για να παράγει αντίσταση 1000 Ω. Λόγω του μικρού τους μεγέθους, Τα RTD λεπτών υδαθίσεων μπορούν να ανταποκριθούν γρήγορα στις αλλαγές θερμοκρασίας. Αυτές οι συσκευές είναι κατάλληλες για πολλές εφαρμογές γενικής χρήσης. Τα μειονεκτήματα αυτού του τύπου είναι σχετικά κακή μακροπρόθεσμη σταθερότητα και στενή περιοχή θερμοκρασίας.

RTDS

Κατασκευή ενός καλωδίου RTD

Εικόνα 4. Επισκόπηση της κατασκευής ενός βασικού καλωδίου RTD. Η εικόνα της PR Electronics

Αυτός ο τύπος RTD γίνεται με την εκκαθάριση ενός μήκους πλατίνας γύρω από έναν κεραμικό ή γυάλινο πυρήνα. Το σύνολο του στοιχείου είναι συνήθως ενθυλακωμένο μέσα σε ένα κεραμικό ή γυάλινο σωλήνα για σκοπούς προστασίας. Οι RTD με κεραμικούς πυρήνες είναι κατάλληλα για μέτρηση πολύ υψηλών θερμοκρασιών. Τα RTD που έχουν συσχετιστεί είναι γενικά πιο ακριβή από τους τύπους λεπτών ταινιών. Ωστόσο, Είναι πιο ακριβά και ευκολότερα ζημιές από δόνηση.

Για να ελαχιστοποιήσετε οποιαδήποτε πίεση στο σύρμα πλατίνας, Ο συντελεστής θερμικής διαστολής του υλικού που χρησιμοποιείται στην κατασκευή του αισθητήρα θα πρέπει να ταιριάζει με αυτόν του πλατίνα. Ταυτόσημοι συντελεστές θερμικής διαστολής ελαχιστοποιούν τις μεταβολές της αντίστασης που προκαλούνται από το μακροπρόθεσμο στρες στο στοιχείο RTD, βελτιώνοντας έτσι την επαναληψιμότητα του αισθητήρα και τη σταθερότητα.

RTD VS. Ιδιότητες θερμοστοιχείων

Για να ολοκληρώσετε αυτήν τη συζήτηση σχετικά με τους αισθητήρες θερμοκρασίας RTD, Ακολουθεί μια σύντομη σύγκριση μεταξύ των αισθητήρων RTD και θερμοστοιχείων.

Ένα θερμοστοιχείο παράγει μια τάση που είναι ανάλογη με τη διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ των δύο διασταυρώσεων της. Τα θερμοστοιχεία είναι αυτο-ισχύουν και δεν απαιτούν εξωτερική διέγερση, ενώ οι μετρήσεις θερμοκρασίας με βάση RTD απαιτούν ρεύμα διέγερσης ή τάση. Η έξοδος θερμοστοιχείου καθορίζει τη διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ των ψυχρών και των θερμών διασταυρώσεων, Απαιτείται αντιστάθμιση ψυχρής διασταύρωσης σε εφαρμογές θερμοστοιχείων. Από την άλλη πλευρά, Η αντιστάθμιση ψυχρής διασταύρωσης δεν απαιτείται για εφαρμογές RTD, με αποτέλεσμα ένα απλούστερο σύστημα μέτρησης.

Τα θερμοστοιχεία χρησιμοποιούνται συνήθως στο -184 ° C 2300 ° C εύρος, Ενώ οι RTDs μπορούν να μετρήσουν από -200 ° C +850 °C. Αν και οι RTD είναι γενικά πιο ακριβείς από τα θερμοστοιχεία, Είναι περίπου δύο έως τρεις φορές πιο ακριβά από τα θερμοστοιχεία. Μια άλλη διαφορά είναι ότι τα RTD είναι πιο γραμμικά από τα θερμοστοιχεία και παρουσιάζουν ανώτερη μακροπρόθεσμη σταθερότητα. Με θερμοστοιχεία, Οι χημικές μεταβολές στο υλικό του αισθητήρα μπορούν να μειώσουν τη μακροπρόθεσμη σταθερότητα και να προκαλέσουν μετατόπιση της ανάγνωσης του αισθητήρα.