Qu'est-ce qu'un capteur de détection de température à résistance thermique RTD?

Les détecteurs de température à résistance ou RTD peuvent être des types simples de capteurs de température. Ces appareils fonctionnent sur le principe selon lequel la résistance d'un métal change avec la température.. Les métaux purs ont généralement un coefficient de résistance à la température positif, ce qui signifie que leur résistance augmente à mesure que la température augmente. Les RTD fonctionnent sur une large plage de températures de -200 ° C à +850 °C et offre une grande précision, Excellente stabilité à long terme, et répétabilité.

Détecteur de température à résistance platine MAX31865 RTD PT100 & PT1000

Transmetteur de température RTD PT100 DC24V moins 50 ~ 100 grade

Sonde de capteur de température RTD Pt100 pour four

Dans cet article, nous discuterons des compromis liés à l'utilisation des RTD, les métaux utilisés en eux, les deux types de RTD, et comment les RTD se comparent aux thermocouples.

Avant de plonger, Jetons un coup d'œil à un exemple de diagramme d'application pour mieux comprendre les bases de RTD.

Exemple de diagramme d'application RTD

RTDs are passive devices that do not generate an output signal on their own. Chiffre 1 shows a simplified RTD application diagram.

Circuit Diagram for RTD Application Example.jpeg

Chiffre 1. RTD application diagram example.

The excitation current I1 passes through the temperature-dependent resistance of the sensor. This produces a voltage signal that is proportional to the excitation current and the resistance of the RTD. The voltage across the RTD is then amplified and sent to an ADC (convertisseur analogique-numérique) to produce a digital output code that can be used to calculate the RTD temperature.

Tradeoffs of Using RTD Sensors – Advantages and Disadvantages of RTD Sensors

Avant de plonger, it is important to note that the details of RTD signal conditioning will be covered in a future article. For this article, Je souhaite souligner quelques compromis de base lors de l'utilisation de circuits RTD.

D'abord, notez que le courant d'excitation est généralement limité à environ 1 mA pour minimiser les effets d'auto-échauffement. Lorsque le courant d'excitation circule à travers le RTD, il génère un chauffage I2R ou Joule. Les effets d'auto-échauffement peuvent augmenter la température du capteur à des valeurs supérieures à la température ambiante réellement mesurée.. La réduction du courant d'excitation peut réduire l'effet d'auto-échauffement. Il convient également de mentionner que l'effet d'auto-échauffement dépend du milieu dans lequel le RTD est immergé.. Par exemple, un RTD placé dans de l'air calme peut subir des effets d'auto-échauffement plus importants qu'un RTD immergé dans de l'eau courante.

Pour un changement de température détectable donné, le changement de tension RTD doit être suffisamment important pour surmonter le bruit du système ainsi que les décalages et dérives des différents paramètres du système. Puisque l'auto-échauffement limite le courant d'excitation, nous devons utiliser un RTD avec une résistance suffisamment grande, générant ainsi une tension élevée pour le bloc de traitement du signal en aval. Bien qu'une grande résistance RTD soit souhaitable pour réduire les erreurs de mesure, nous ne pouvons pas augmenter arbitrairement la résistance car une résistance RTD plus grande entraîne un temps de réponse plus lent.

Métaux prêt-à-boire: Différences entre le platine, Or, et RTD en cuivre

Théoriquement, n'importe quel type de métal peut être utilisé pour construire un RTD. Le premier RTD inventé par CW Siemens en 1860 utilisé un fil de cuivre. Cependant, Siemens a rapidement découvert que les RTD en platine produisaient des résultats plus précis sur une plage de températures plus large..

Aujourd'hui, Les RTD en platine sont les capteurs de température les plus largement utilisés pour une mesure précise de la température.. Le platine a une relation résistance-température linéaire et est hautement reproductible sur une large plage de températures. En outre, le platine ne réagit pas avec la plupart des gaz polluants présents dans l'air.

En plus du platine, deux autres matériaux RTD courants sont le nickel et le cuivre. Tableau 1 fournit les coefficients de température et la conductivité relative de certains métaux RTD courants.

Capteur de résistance thermique en platine Pt100, haute température, antidéflagrant

WZP-130 231 Capteur de température PT100 à résistance platine en acier inoxydable

Capteur de température à résistance thermique pt100 pour roulements

Tableau 1. Coefficients de température et conductivité relative des métaux RTD courants. Données fournies par BAPI

In the previous section, we discussed how larger RTD resistance can reduce measurement errors. Copper has a higher conductivity (or equivalently, lower resistance) than platinum and nickel. For a given sensor size and excitation current, a copper RTD can produce a relatively small voltage. Donc, copper RTDs can be more challenging to measure small temperature changes. En outre, copper oxidizes at higher temperatures, so the measurement range is also limited to -200 à +260 °C. Despite these limitations, copper is still used in some applications due to its linearity and low cost. Comme le montre la figure 2 below, of the three common RTD metals, copper has the most linear resistance-temperature characteristic.

Resistance vs. Temperature Characteristics of Nickel, Cuivre, and Platinum RTDs.jpeg

Chiffre 2. Resistance vs. temperature characteristics of nickel, cuivre, and platinum RTDs. Image courtesy of TE Connectivity

L'or et l'argent ont également une résistance relativement faible et sont rarement utilisés comme éléments RTD.. Le nickel a une conductivité proche de celle du platine. Comme on peut le voir sur la figure 2, le nickel offre un changement de résistance pour un changement de température donné.

Cependant, le nickel offre une plage de température inférieure, une plus grande non-linéarité, et une dérive à long terme plus importante que le platine. En plus, la résistance du nickel varie d’un lot à l’autre. En raison de ces limites, le nickel est principalement utilisé dans des applications à faible coût telles que les produits de consommation.

Les RTD en platine courants sont Pt100 et Pt1000. Ces noms décrivent le type de métal utilisé dans la construction du capteur (platine ou Pt) et la résistance nominale à 0 °C, ce qui est 100 Ω pour Pt100 et 1000 Ω pour les types Pt100 et Pt1000, respectivement. Les types Pt100 étaient plus populaires dans le passé; cependant, today the trend is toward higher resistance RTDs, as higher resistance provides greater sensitivity and resolution at little or no additional cost. RTDs made from copper and nickel use similar naming conventions. Tableau 2 lists some common types.

Tableau 2. RTD types, materials, and temperature ranges. Data provided by Analog Devices

In addition to the type of metal used, the mechanical structure of the RTD also affects sensor performance. RTDs can be divided into two basic types: thin film and wirewound. These two types will be discussed in the following sections.

Thin Film vs. Wirewound RTDs

To further our discussion of RTDs, let’s explore two types: thin film and wirewound.

Thin Film RTD Basics

Thin Film RTD Display Structure.jpeg

The structure of the thin film type is shown in Figure 3(un).

Chiffre 3. Exemples de RTD à couches minces, où (un) montre la structure et (b) montre les différents types globaux. Image (modifié) gracieuseté d'Evosensors

Dans un RTD en couche mince, une fine couche de platine est déposée sur un substrat céramique. Ceci est suivi d'un recuit et d'une stabilisation à très haute température., et une fine couche de verre de protection recouvrant l'ensemble de l'élément. La zone de découpage illustrée sur la figure 3(un) est utilisé pour ajuster la résistance fabriquée à une valeur cible spécifiée.

Les RTD à couches minces s'appuient sur une technologie relativement nouvelle qui réduit considérablement le temps d'assemblage et les coûts de production.. Par rapport au type bobiné, que nous explorerons en profondeur dans la section suivante, les RTD à couche mince sont plus résistants aux dommages causés par les chocs ou les vibrations. En plus, les RTD à couche mince peuvent accueillir de grandes résistances dans une zone relativement petite. Par exemple, un 1.6 mm par 2.6 Le capteur mm offre suffisamment de surface pour produire une résistance de 1000 Oh. En raison de leur petite taille, les RTD à couche mince peuvent réagir rapidement aux changements de température. Ces appareils conviennent à de nombreuses applications générales. Les inconvénients de ce type sont une stabilité à long terme relativement médiocre et une plage de température étroite..

Wirewound RTDs

Construction d'un RTD bobiné

Chiffre 4. Aperçu de la construction d'un RTD bobiné de base. Image gracieuseté de PR Electronics

Ce type de RTD est réalisé en enroulant une longueur de platine autour d'un noyau en céramique ou en verre.. L'élément entier est généralement encapsulé dans un tube en céramique ou en verre à des fins de protection.. Les RTD avec noyau en céramique conviennent à la mesure de températures très élevées. Les RTD bobinés sont généralement plus précis que les types à couches minces. Cependant, ils sont plus chers et plus facilement endommagés par les vibrations.

Pour minimiser toute contrainte sur le fil de platine, le coefficient de dilatation thermique du matériau utilisé dans la construction du capteur doit correspondre à celui du platine. Les coefficients de dilatation thermique identiques minimisent les changements de résistance causés par les contraintes à long terme dans l'élément RTD, améliorant ainsi la répétabilité et la stabilité du capteur.

RDT contre. Propriétés des thermocouples

Pour conclure cette conversation sur les capteurs de température RTD, voici une brève comparaison entre les capteurs RTD et thermocouple.

Un thermocouple produit une tension proportionnelle à la différence de température entre ses deux jonctions. Les thermocouples sont auto-alimentés et ne nécessitent pas d'excitation externe, alors que les mesures de température basées sur RTD nécessitent un courant ou une tension d'excitation. La sortie thermocouple spécifie la différence de température entre les soudures froides et chaudes., une compensation de soudure froide est donc nécessaire dans les applications de thermocouples. D'autre part, la compensation de soudure froide n'est pas requise pour les applications RTD, résultant en un système de mesure plus simple.

Les thermocouples sont généralement utilisés dans le -184 ° C à 2300 Plage °C, tandis que les RTD peuvent mesurer à partir de -200 ° C à +850 °C. Bien que les RTD soient généralement plus précis que les thermocouples, ils sont environ deux à trois fois plus chers que les thermocouples. Une autre différence est que les RTD sont plus linéaires que les thermocouples et présentent une stabilité supérieure à long terme.. Avec thermocouples, les changements chimiques dans le matériau du capteur peuvent réduire la stabilité à long terme et entraîner une dérive de la lecture du capteur.