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 Application Diagram Example

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

Circuit Diagram for RTD Application Example.jpeg

Figure 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 (analog-to-digital converter) 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

Mielőtt belemerülnénk, it is important to note that the details of RTD signal conditioning will be covered in a future article. 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

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. Ezért, copper RTDs can be more challenging to measure small temperature changes. Ezen kívül, copper oxidizes at higher temperatures, so the measurement range is also limited to -200 hogy +260 °C. Despite these limitations, copper is still used in some applications due to its linearity and low cost. ábrán látható módon 2 below, of the three common RTD metals, copper has the most linear resistance-temperature characteristic.

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

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

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, 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. Táblázat 2 lists some common types.

Táblázat 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(a).

Figure 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.

Wirewound RTDs

Huzalos RTD építése

Figure 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.