Mi az RTD hőellenállás hőmérséklet-érzékelő érzékelő?

Az ellenállás-hőmérséklet-érzékelők vagy RTD-k egyszerű típusú hőmérséklet-érzékelők lehetnek. Ezek az eszközök azon az elven működnek, hogy a fém ellenállása a hőmérséklettel változik. A tiszta fémek általában pozitív hőmérsékleti ellenállási együtthatóval rendelkeznek, ami azt jelenti, hogy ellenállásuk a hőmérséklet emelkedésével nő. Az RTD-k széles hőmérséklet-tartományban működnek -200 ° C -hoz +850 °C-on és nagy pontosságot kínálnak, kiváló hosszú távú stabilitás, és ismételhetőség.

MAX31865 RTD platina ellenállási hőmérséklet érzékelő PT100 & PT1000

RTD PT100 hőmérséklet-távadó DC24V mínusz 50 ~ 100 fokozat

RTD Pt100 hőmérséklet-érzékelő szonda sütőhöz

Ebben a cikkben, megvitatjuk az RTD-k használatának kompromisszumait, a bennük használt fémek, a kétféle KTF, és hogyan viszonyul az RTD-k a hőelemekhez.

Mielőtt belemerülnénk, vessünk egy pillantást egy példa alkalmazási diagramra, hogy jobban megértsük a KTF alapjait.

RTD alkalmazási diagram példa

Az RTD-k passzív eszközök, amelyek önmagukban nem generálnak kimeneti jelet. Ábra 1 egyszerűsített KTF alkalmazási diagramot mutat be.

Áramköri diagram az RTD alkalmazáshoz példa.jpeg

Ábra 1. KTF alkalmazási diagram példa.

Az I1 gerjesztőáram áthalad az érzékelő hőmérsékletfüggő ellenállásán. Ez a gerjesztőárammal és az RTD ellenállásával arányos feszültségjelet állít elő. Az RTD-n lévő feszültséget ezután felerősítik, és egy ADC-hez továbbítják (analóg-digitális átalakító) digitális kimeneti kód előállítása, amely az RTD hőmérséklet kiszámításához használható.

Az RTD érzékelők használatának kompromisszumai – Az RTD érzékelők előnyei és hátrányai

Mielőtt belemerülnénk, fontos megjegyezni, hogy az RTD jelkondicionálás részleteiről egy későbbi cikkben lesz szó. Ehhez a cikkhez, Szeretnék kiemelni néhány alapvető kompromisszumot az RTD áramkörök használatakor.

Első, vegye figyelembe, hogy a gerjesztőáram jellemzően kb 1 mA az önmelegedési hatások minimalizálása érdekében. Amikor a gerjesztő áram átfolyik az RTD-n, I2R vagy Joule fűtést generál. Az önmelegítő hatások az érzékelő hőmérsékletét a ténylegesen mért környezeti hőmérséklet feletti értékekre emelhetik. A gerjesztőáram csökkentése csökkentheti az önmelegítő hatást. Azt is érdemes megemlíteni, hogy az önmelegítő hatás attól függ, hogy az RTD milyen közegbe merül. Például, egy csendes levegőben elhelyezett RTD jelentősebb önmelegítő hatást tapasztalhat, mint az áramló vízbe merített RTD.

Adott érzékelhető hőmérsékletváltozáshoz, az RTD feszültség változásának elég nagynak kell lennie ahhoz, hogy legyőzze a rendszerzajt, valamint a különböző rendszerparaméterek eltolásait és eltolódásait. Mivel az önmelegedés korlátozza a gerjesztőáramot, elég nagy ellenállású RTD-t kell használnunk, így nagy feszültséget állítva elő a lefelé irányuló jelfeldolgozó blokk számára. Míg a nagy RTD ellenállás kívánatos a mérési hibák csökkentése érdekében, nem tudjuk önkényesen növelni az ellenállást, mert a nagyobb RTD ellenállás lassabb válaszidőt eredményez.

RTD fémek: Különbségek a platina között, Arany, és réz RTD-k

Elméletben, Bármilyen fém felhasználható egy KTF megalkotásához. Az első RTD-t a CW Siemens találta fel ben 1860 rézhuzalt használtak. Viszont, A Siemens hamarosan felfedezte, hogy a platina RTD-k pontosabb eredményeket adnak szélesebb hőmérsékleti tartományban.

Ma, A platina RTD-k a precíziós hőmérsékletmérés legszélesebb körben használt hőmérséklet-érzékelői. A platina lineáris ellenállás-hőmérséklet kapcsolattal rendelkezik, és nagy hőmérsékleti tartományban nagymértékben megismételhető. Ezen kívül, a platina nem lép reakcióba a levegőben lévő legtöbb szennyező gázzal.

A platina mellett, két másik elterjedt KTF-anyag a nikkel és a réz. Táblázat 1 néhány gyakori RTD fém hőmérsékleti együtthatóját és relatív vezetőképességét adja meg.

Magas hőmérsékletű Pt100 platina hőellenállás-érzékelő robbanásbiztos

WZP-130 231 Rozsdamentes acél platina ellenállású PT100 hőmérséklet-érzékelő

Hőellenállás pt100 hőmérséklet-érzékelő csapágyakhoz

Táblázat 1. Közönséges RTD fémek hőmérsékleti együtthatói és relatív vezetőképessége. Az adatokat a BAPI szolgáltatta

Az előző részben, megbeszéltük, hogy a nagyobb RTD ellenállás hogyan csökkentheti a mérési hibákat. A réz vezetőképessége magasabb (vagy azzal egyenértékű, kisebb ellenállás) mint a platina és a nikkel. Adott szenzormérethez és gerjesztőáramhoz, egy réz RTD viszonylag kis feszültséget képes előállítani. Ezért, A réz RTD-k nagyobb kihívást jelenthetnek a kis hőmérséklet-változások mérése. Ezen kívül, a réz magasabb hőmérsékleten oxidálódik, így a mérési tartomány is arra korlátozódik -200 hogy +260 °C. E korlátok ellenére, A rezet egyes alkalmazásokban még mindig használják linearitása és alacsony költsége miatt. ábrán látható módon 2 alatt, a három általános KTF-fém közül, a réznek van a leglineárisabb ellenállás-hőmérséklet karakterisztikája.

Ellenállás vs. A nikkel hőmérsékleti jellemzői, Réz, és Platina RTDs.jpeg

Ábra 2. Ellenállás vs. A nikkel hőmérsékleti jellemzői, réz, és platina RTD-k. A kép a TE Connectivity jóvoltából

Az aranynak és ezüstnek viszonylag alacsony az ellenállása, és ritkán használják RTD-elemként. A nikkel vezetőképessége közel áll a platina vezetőképességéhez. ábrán látható 2, a nikkel ellenállásváltozást kínál egy adott hőmérséklet-változáshoz.

Viszont, a nikkel alacsonyabb hőmérsékleti tartományt kínál, nagyobb nemlinearitás, és nagyobb hosszú távú sodródás, mint a platina. Továbbá, a nikkel ellenállása tételenként változik. Ezen korlátok miatt, a nikkelt elsősorban alacsony költségű alkalmazásokban, például fogyasztói termékekben használják.

Az általános platina RTD-k a Pt100 és a Pt1000. Ezek a nevek az érzékelő felépítésében használt fém típusát írják le (platina vagy Pt) és a névleges ellenállás at 0 °C, ami az 100 Ω Pt100 és 1000 Ω Pt100 és Pt1000 típusokhoz, illetőleg. A Pt100 típusok régebben népszerűbbek voltak; viszont, ma a tendencia a nagyobb ellenállású RTD-k felé mutat, mivel a nagyobb ellenállás nagyobb érzékenységet és felbontást biztosít kis többletköltséggel vagy anélkül. A rézből és nikkelből készült RTD-k hasonló elnevezési konvenciót használnak. Táblázat 2 felsorol néhány gyakori típust.

Táblázat 2. KTF típusok, anyagokat, és hőmérsékleti tartományok. Az adatokat az Analog Devices szolgáltatja

A felhasznált fém típusa mellett, az RTD mechanikai szerkezete is befolyásolja az érzékelő teljesítményét. A KTF-ek két alapvető típusra oszthatók: vékony film és huzaltekercs. Erről a két típusról a következő fejezetekben lesz szó.

Vékony film vs. Huzalos RTD-k

A KTF-ről folytatott vitánk továbbfejlesztése, vizsgáljunk meg két típust: vékony film és huzaltekercs.

Vékonyfilmes RTD alapjai

Thin Film RTD Display Structure.jpeg

A vékonyréteg-típus szerkezetét az ábra mutatja 3(a).

Ábra 3. Példák vékonyfilmes RTD-kre, ahol (a) mutatja a szerkezetet és (b) mutatja a különböző általános típusokat. Kép (módosított) az Evosensors jóvoltából

Vékony filmben RTD, vékony platinaréteg kerül egy kerámia hordozóra. Ezt nagyon magas hőmérsékletű izzítás és stabilizálás követi, és az egész elemet beborító vékony védőüvegréteg. ábrán látható vágási terület 3(a) arra szolgál, hogy a gyártott ellenállást egy meghatározott célértékre állítsa be.

A vékonyrétegű RTD-k viszonylag új technológián alapulnak, amely jelentősen csökkenti az összeszerelési időt és a gyártási költségeket. A huzaltekercs típushoz képest, amelyeket a következő részben részletesen megvizsgálunk, A vékonyrétegű RTD-k jobban ellenállnak az ütés vagy a vibráció okozta sérüléseknek. Továbbá, a vékonyrétegű RTD-k viszonylag kis területen nagy ellenállásokat képesek fogadni. Például, a 1.6 mm által 2.6 mm-es érzékelő elegendő területet biztosít az ellenállás létrehozásához 1000 Ó. Kis méretük miatt, A vékonyrétegű RTD-k gyorsan reagálnak a hőmérséklet-változásokra. Ezek az eszközök számos általános célú alkalmazásra alkalmasak. Ennek a típusnak a hátránya a viszonylag gyenge hosszú távú stabilitás és a szűk hőmérséklet-tartomány.

Huzalos RTD-k

Huzalos RTD építése

Ábra 4. Egy alapvető huzaltekercses RTD felépítésének áttekintése. A kép a PR Electronics jóvoltából

Az ilyen típusú RTD-t úgy készítik el, hogy egy hosszúságú platinát egy kerámia vagy üveg mag köré tekernek. A teljes elem általában kerámia vagy üvegcsőbe van zárva védelmi célból. A kerámia maggal ellátott RTD-k nagyon magas hőmérsékletek mérésére alkalmasak. A huzalos RTD-k általában pontosabbak, mint a vékonyfilmes típusok. Viszont, drágábbak és könnyebben károsodnak a vibráció miatt.

A platinahuzal terhelésének minimalizálása érdekében, az érzékelő felépítésében használt anyag hőtágulási együtthatója megegyezzen a platina hőtágulási együtthatójával. Az azonos hőtágulási együtthatók minimalizálják az RTD elemben a hosszú távú feszültség okozta ellenállásváltozásokat, így javítva az érzékelő ismételhetőségét és stabilitását.

RTD vs. A hőelem tulajdonságai

Az RTD hőmérséklet-érzékelőkről szóló beszélgetés lezárásaként, itt egy rövid összehasonlítás az RTD és a hőelemes érzékelők között.

A hőelem olyan feszültséget állít elő, amely arányos a két csomópontja közötti hőmérséklet-különbséggel. A hőelemek önellátásúak, és nem igényelnek külső gerjesztést, míg az RTD-alapú hőmérsékletmérésekhez gerjesztőáram vagy feszültség szükséges. A hőelem kimenete határozza meg a hőmérséklet különbséget a hideg és a meleg csomópontok között, ezért hőelemes alkalmazásoknál hideg csomópont kompenzációra van szükség. Másrészt, hideg csomópont kompenzáció nem szükséges a KTD alkalmazásokhoz, egyszerűbb mérési rendszert eredményezve.

A hőelemeket jellemzően a -184 ° C -hoz 2300 °C tartományban, míg az RTD-k től mérhetnek -200 ° C -hoz +850 °C. Bár az RTD-k általában pontosabbak, mint a hőelemek, körülbelül két-háromszor drágábbak, mint a hőelemek. Egy másik különbség az, hogy az RTD-k lineárisabbak, mint a hőelemek, és kiváló hosszú távú stabilitást mutatnak. Hőelemekkel, az érzékelő anyagában bekövetkező kémiai változások csökkenthetik a hosszú távú stabilitást, és az érzékelő leolvasásának eltolódását okozhatják.