¿Qué es un sensor de detección de temperatura con resistencia térmica RTD??

Los detectores de temperatura de resistencia o RTD pueden ser tipos simples de sensores de temperatura. Estos dispositivos funcionan según el principio de que la resistencia de un metal cambia con la temperatura. Los metales puros generalmente tienen un coeficiente de temperatura positivo de resistencia, lo que significa que su resistencia aumenta a medida que aumenta la temperatura. Los RTD operan en un amplio rango de temperatura de -200 °C a +850 ° C y ofrecer alta precisión, Excelente estabilidad a largo plazo, y repetibilidad.

MAX31865 RTD Detector de temperatura de resistencia del platino PT100 & PT1000

Transmisor de temperatura RTD PT100 DC24V menos 50 ~ 100 calificación

Sonda del sensor de temperatura RTD PT100 para horno

En este artículo, Discutiremos las compensaciones del uso de RTDS, los metales utilizados en ellos, los dos tipos de RTD, y cómo se comparan los RTD con los termopares.

Antes de sumergirnos en, Echemos un vistazo a un diagrama de aplicación de ejemplo para comprender mejor los conceptos básicos de RTD.

Ejemplo de diagrama de aplicación RTD

Los RTD son dispositivos pasivos que no generan una señal de salida por sí solos.. Cifra 1 muestra un diagrama de aplicación RTD simplificado.

Diagrama de circuito para ejemplo de aplicación RTD.jpeg

Cifra 1. Ejemplo de diagrama de aplicación RTD.

La corriente de excitación I1 pasa a través de la resistencia del sensor que depende de la temperatura.. Esto produce una señal de voltaje que es proporcional a la corriente de excitación y la resistencia del RTD.. Luego, el voltaje a través del RTD se amplifica y se envía a un ADC. (convertidor analógico a digital) para producir un código de salida digital que se puede utilizar para calcular la temperatura RTD.

Compensaciones del uso de sensores RTD: ventajas y desventajas de los sensores RTD

Antes de sumergirnos en, Es importante tener en cuenta que los detalles del acondicionamiento de señales RTD se tratarán en un artículo futuro.. Para este artículo, Quiero resaltar algunas compensaciones básicas al usar circuitos RTD.

Primero, Tenga en cuenta que la corriente de excitación generalmente se limita a alrededor 1 MA para minimizar los efectos de autocalación. Cuando la corriente de excitación fluye a través del RTD, genera calefacción i2r o julio. Los efectos de autocalación pueden elevar la temperatura del sensor a valores por encima de la temperatura ambiente que en realidad se está midiendo. Reducir la corriente de excitación puede reducir el efecto de autocalación. También vale la pena mencionar que el efecto autocalentable depende del medio en el que se sumerge el RTD. Por ejemplo, Un RTD colocado en el aire fijo puede experimentar efectos de autocalación más significativos que un RTD inmerso en agua que fluye.

Para un cambio de temperatura detectable dado, El cambio en el voltaje RTD debe ser lo suficientemente grande como para superar el ruido del sistema, así como las compensaciones y las derivaciones de diferentes parámetros del sistema.. Dado que el autocalentamiento limita la corriente de excitación, Necesitamos usar un RTD con una resistencia lo suficientemente grande, generando así un gran voltaje para el bloque de procesamiento de señal posterior. Mientras que una gran resistencia RTD es deseable para reducir los errores de medición, No podemos aumentar arbitrariamente la resistencia porque una resistencia RTD más grande da como resultado un tiempo de respuesta más lento.

Metales RTD: Diferencias entre platino, Oro, y RTD de cobre

En teoría, Se puede usar cualquier tipo de metal para construir un RTD. El primer RTD inventado por CW Siemens en 1860 usado un alambre de cobre. Sin embargo, Siemens pronto descubrió que los RTD de platino produjeron resultados más precisos en un rango de temperatura más amplio.

Hoy, Los RTD de platino son los sensores de temperatura más utilizados para la medición de la temperatura de precisión. Platinum tiene una relación lineal de resistencia a la temperatura y es muy repetible en un gran rango de temperatura. Además, Platinum no reacciona con la mayoría de los gases contaminantes en el aire.

Además de platino, Otros dos materiales RTD comunes son el níquel y el cobre. Mesa 1 Proporciona los coeficientes de temperatura y la conductividad relativa de algunos metales RTD comunes.

High Temp Pt100 Platino de resistencia térmica Sensor de explosión a prueba de explosión

WZP-130 231 Sensor de temperatura PT100 resistencia al platino de acero inoxidable

Sensor de temperatura de resistencia térmica PT100 para rodamientos

Mesa 1. Coeficientes de temperatura y conductividad relativa de metales RTD comunes. Datos proporcionados por BAPI

En la sección anterior, Discutimos cómo una mayor resistencia RTD puede reducir los errores de medición.. El cobre tiene una mayor conductividad. (o equivalente, menor resistencia) que el platino y el níquel. Para un tamaño de sensor y una corriente de excitación determinados, un RTD de cobre puede producir un voltaje relativamente pequeño. Por lo tanto, Los RTD de cobre pueden ser más difíciles de medir pequeños cambios de temperatura. Además, El cobre se oxida a temperaturas más altas., por lo que el rango de medición también se limita a -200 a +260 °C. A pesar de estas limitaciones, El cobre todavía se utiliza en algunas aplicaciones debido a su linealidad y bajo costo.. Como se muestra en la figura 2 abajo, de los tres metales RTD comunes, El cobre tiene la característica de resistencia-temperatura más lineal..

Resistencia vs.. Características de temperatura del níquel, Cobre, y RTD Platinum.jpeg

Cifra 2. Resistencia vs.. características de temperatura del níquel, cobre, y RTD de platino. Imagen cortesía de TE Connectivity

El oro y la plata también tienen resistencia relativamente baja y rara vez se usan como elementos RTD. Nickel tiene una conductividad cercana a la de Platinum. Como se puede ver en la figura 2, Nickel ofrece un cambio en la resistencia para un cambio dado en la temperatura.

Sin embargo, Nickel ofrece un rango de temperatura más bajo, mayor no linealidad, y mayor deriva a largo plazo que el platino. Además, La resistencia del níquel varía de un lote a otro. Por estas limitaciones, El níquel se usa principalmente en aplicaciones de bajo costo, como productos de consumo.

Los RTD de platino comunes son PT100 y PT1000. Estos nombres describen el tipo de metal utilizado en la construcción del sensor. (Platino o PT) y la resistencia nominal en 0 °C, que es 100 Ω para PT100 y 1000 Ω para tipos PT100 y PT1000, respectivamente. Los tipos de PT100 eran más populares en el pasado; sin embargo, hoy la tendencia es hacia RTD de mayor resistencia, ya que una mayor resistencia proporciona mayor sensibilidad y resolución con poco o ningún costo adicional. Los RTD fabricados con cobre y níquel utilizan convenciones de nomenclatura similares. Mesa 2 enumera algunos tipos comunes.

Mesa 2. tipos de RTD, materiales, y rangos de temperatura. Datos proporcionados por Analog Devices

Además del tipo de metal utilizado, La estructura mecánica del RTD también afecta el rendimiento del sensor.. Los RTD se pueden dividir en dos tipos básicos: película delgada y bobinado. Estos dos tipos se discutirán en las siguientes secciones..

Película delgada vs.. RTD bobinados

Para avanzar en nuestro debate sobre los RTD, exploremos dos tipos: película delgada y bobinado.

Conceptos básicos de RTD de película delgada

Estructura de pantalla RTD de película delgada.jpeg

La estructura del tipo de película delgada se muestra en la Figura. 3(a).

Cifra 3. Ejemplos de RTD de película delgada, dónde (a) muestra la estructura y (b) muestra los diferentes tipos generales. Imagen (modificado) cortesía de los evosensores

En una película delgada RTD, Se deposita una capa delgada de platino en un sustrato de cerámica. Esto es seguido por recocido y estabilización de muy alta temperatura., y una capa de vidrio protectora delgada que cubre todo el elemento. El área de recorte que se muestra en la figura 3(a) se usa para ajustar la resistencia fabricada a un valor objetivo especificado.

Los RTD de película delgada dependen de una tecnología relativamente nueva que reduce significativamente el tiempo de ensamblaje y los costos de producción. En comparación con el tipo de alambre, que exploraremos en profundidad en la siguiente sección, Los RTD de película delgada son más resistentes al daño por choque o vibración. Además, Los RTD de película delgada pueden acomodar grandes resistencias en un área relativamente pequeña. Por ejemplo, a 1.6 mm por 2.6 El sensor MM proporciona suficiente área para producir una resistencia de 1000 Oh. Debido a su pequeño tamaño, Los RTD de película delgada pueden responder rápidamente a los cambios de temperatura. Estos dispositivos son adecuados para muchas aplicaciones de propósito general.. Las desventajas de este tipo son una estabilidad a largo plazo relativamente pobre y un rango de temperatura estrecha.

RTD bobinados

Construcción de un rtd de alambre

Cifra 4. Descripción general de la construcción de un rtd básico de WireWound. Imagen cortesía de PR Electronics

Este tipo de RTD se realiza con toparse una longitud de platino alrededor de un núcleo de cerámica o vidrio. Todo el elemento generalmente está encapsulado dentro de un tubo de cerámica o de vidrio para fines de protección.. Los RTD con núcleos de cerámica son adecuados para medir temperaturas muy altas. Los RTD de WireWound son generalmente más precisos que los tipos de película delgada. Sin embargo, son más caros y más fácilmente dañados por la vibración.

Para minimizar cualquier tensión en el cable de platino, El coeficiente de expansión térmica del material utilizado en la construcción del sensor debe coincidir con el del platino. Los coeficientes de expansión térmica idéntica minimizan los cambios de resistencia causados ​​por el estrés a largo plazo en el elemento RTD, mejorando así la repetibilidad y la estabilidad del sensor.

RTD VS. Propiedades termopar

Para concluir esta conversación sobre los sensores de temperatura RTD, Aquí hay una breve comparación entre los sensores RTD y ThermoCouple.

Un termopar produce un voltaje que es proporcional a la diferencia de temperatura entre sus dos uniones. Los termopares tienen auto-alimentación y no requieren excitación externa, Mientras que las mediciones de temperatura basadas en RTD requieren una corriente de excitación o voltaje. La salida de termopar especifica la diferencia de temperatura entre las uniones frías y calientes, Por lo tanto, se requiere una compensación de la unión fría en las aplicaciones de termopar. Por otro lado, No se requiere una compensación de la unión fría para las aplicaciones RTD, dando como resultado un sistema de medición más simple.

Los termopares se usan típicamente en el -184 °C a 2300 ° C Rango, mientras que los RTD pueden medir desde -200 °C a +850 °C. Aunque los RTD son generalmente más precisos que los termopares, son aproximadamente de dos a tres veces más caros que los termopares. Otra diferencia es que los RTD son más lineales que los termopares y exhiben una estabilidad superior a largo plazo. Con termopares, Los cambios químicos en el material del sensor pueden reducir la estabilidad a largo plazo y hacer que la lectura del sensor se deriva.