Apa itu sensor deteksi suhu resistor termal RTD?

Detektor Suhu Resistansi atau RTD mungkin merupakan jenis sensor suhu sederhana. Perangkat ini bekerja berdasarkan prinsip bahwa resistansi logam berubah seiring suhu. Logam murni umumnya mempunyai koefisien resistansi suhu positif, artinya resistansinya meningkat seiring dengan meningkatnya suhu. RTD beroperasi pada rentang suhu yang luas -200 °C to +850 °C dan menawarkan akurasi tinggi, stabilitas jangka panjang yang sangat baik, dan pengulangan.

MAX31865 RTD Detektor Suhu Ketahanan Platinum PT100 & PT1000

Pemancar Suhu RTD PT100 DC24V Minus 50 ~ 100 derajat

Probe Sensor Suhu RTD Pt100 untuk Oven

Dalam artikel ini, kita akan membahas trade-off penggunaan RTD, logam yang digunakan di dalamnya, kedua jenis RTD, dan bagaimana RTD dibandingkan dengan termokopel.

Sebelum kita menyelaminya, mari kita lihat contoh diagram aplikasi untuk lebih memahami dasar-dasar RTD.

Contoh Diagram Aplikasi RTD

RTD adalah perangkat pasif yang tidak menghasilkan sinyal keluaran sendiri. Angka 1 menunjukkan diagram aplikasi RTD yang disederhanakan.

Contoh Diagram Sirkuit untuk Aplikasi RTD.jpeg

Angka 1. Contoh diagram aplikasi RTD.

Arus eksitasi I1 melewati resistansi sensor yang bergantung pada suhu. Ini menghasilkan sinyal tegangan yang sebanding dengan arus eksitasi dan resistansi RTD. Tegangan pada RTD kemudian diperkuat dan dikirim ke ADC (konverter analog-ke-digital) untuk menghasilkan kode keluaran digital yang dapat digunakan untuk menghitung suhu RTD.

Pengorbanan Penggunaan Sensor RTD – Kelebihan dan Kekurangan Sensor RTD

Sebelum kita menyelaminya, Penting untuk dicatat bahwa rincian pengkondisian sinyal RTD akan dibahas dalam artikel mendatang. Untuk artikel ini, Saya ingin menyoroti beberapa pengorbanan dasar saat menggunakan sirkuit RTD.

Pertama, perhatikan bahwa arus eksitasi biasanya terbatas pada sekitar 1 mA untuk meminimalkan efek pemanasan sendiri. Ketika arus eksitasi mengalir melalui RTD, itu menghasilkan pemanasan I2R atau Joule. Efek pemanasan sendiri dapat menaikkan suhu sensor ke nilai di atas suhu lingkungan yang sebenarnya diukur. Mengurangi arus eksitasi dapat mengurangi efek pemanasan sendiri. Perlu juga disebutkan bahwa efek pemanasan sendiri bergantung pada media di mana RTD direndam. Misalnya, RTD yang ditempatkan di udara tenang mungkin mengalami efek pemanasan sendiri yang lebih signifikan dibandingkan RTD yang direndam dalam air mengalir.

Untuk perubahan suhu tertentu yang dapat dideteksi, perubahan tegangan RTD harus cukup besar untuk mengatasi kebisingan sistem serta offset dan penyimpangan parameter sistem yang berbeda. Karena pemanasan sendiri membatasi arus eksitasi, kita perlu menggunakan RTD dengan resistansi yang cukup besar, sehingga menghasilkan tegangan yang besar untuk blok pemrosesan sinyal hilir. Sedangkan resistansi RTD yang besar diinginkan untuk mengurangi kesalahan pengukuran, kita tidak bisa sembarangan meningkatkan resistansi karena resistansi RTD yang lebih besar menghasilkan waktu respons yang lebih lambat.

Logam RTD: Perbedaan Antara Platinum, Emas, dan RTD Tembaga

Secara teori, segala jenis logam dapat digunakan untuk membuat RTD. RTD pertama ditemukan oleh CW Siemens di 1860 menggunakan kawat tembaga. Namun, Siemens segera menemukan bahwa RTD platinum memberikan hasil yang lebih akurat pada rentang suhu yang lebih luas.

Hari ini, platinum RTD adalah sensor suhu yang paling banyak digunakan untuk pengukuran suhu presisi. Platinum memiliki hubungan resistansi-suhu linier dan sangat dapat diulang pada rentang suhu yang luas. Selain itu, platinum tidak bereaksi dengan sebagian besar gas polutan di udara.

Selain platina, dua bahan RTD umum lainnya adalah nikel dan tembaga. Meja 1 memberikan koefisien suhu dan konduktivitas relatif dari beberapa logam RTD umum.

Sensor ketahanan termal platinum Pt100 suhu tinggi tahan ledakan

WZP-130 231 Sensor suhu PT100 tahan platinum baja tahan karat

Sensor suhu pt100 resistor termal untuk bantalan

Meja 1. Koefisien suhu dan konduktivitas relatif logam RTD umum. Data disediakan oleh BAPI

Di bagian sebelumnya, kita membahas bagaimana resistansi RTD yang lebih besar dapat mengurangi kesalahan pengukuran. Tembaga memiliki konduktivitas yang lebih tinggi (atau setara, resistensi yang lebih rendah) dibandingkan platina dan nikel. Untuk ukuran sensor dan arus eksitasi tertentu, RTD tembaga dapat menghasilkan tegangan yang relatif kecil. Karena itu, RTD tembaga bisa lebih menantang untuk mengukur perubahan suhu kecil. Selain itu, tembaga teroksidasi pada suhu yang lebih tinggi, jadi rentang pengukurannya juga terbatas -200 ke +260 ° C.. Meskipun terdapat keterbatasan-keterbatasan ini, tembaga masih digunakan dalam beberapa aplikasi karena linearitasnya dan biayanya yang rendah. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2 di bawah, dari tiga logam RTD yang umum, tembaga memiliki karakteristik suhu resistansi paling linier.

Perlawanan vs. Karakteristik Suhu Nikel, Tembaga, dan Platinum RTDs.jpeg

Angka 2. Perlawanan vs. karakteristik suhu nikel, tembaga, dan RTD platinum. Gambar milik Konektivitas TE

Emas dan perak juga memiliki resistensi yang relatif rendah dan jarang digunakan sebagai elemen RTD. Nikel memiliki konduktivitas yang mendekati platinum. Seperti yang dapat dilihat pada Gambar 2, nikel menawarkan perubahan resistensi terhadap perubahan suhu tertentu.

Namun, nikel menawarkan kisaran suhu yang lebih rendah, nonlinier yang lebih besar, dan penyimpangan jangka panjang yang lebih besar dibandingkan platinum. Selain itu, resistensi nikel bervariasi dari satu batch ke batch lainnya. Karena keterbatasan ini, nikel digunakan terutama dalam aplikasi berbiaya rendah seperti produk konsumen.

RTD platinum yang umum adalah Pt100 dan Pt1000. Nama-nama ini menggambarkan jenis logam yang digunakan dalam konstruksi sensor (platina atau Pt) dan resistansi nominal di 0 ° C., yang 100 Ω untuk Pt100 dan 1000 Ω untuk tipe Pt100 dan Pt1000, masing-masing. Tipe Pt100 lebih populer di masa lalu; Namun, saat ini trennya mengarah ke RTD dengan resistensi yang lebih tinggi, karena resistensi yang lebih tinggi memberikan sensitivitas dan resolusi yang lebih besar dengan sedikit atau tanpa biaya tambahan. RTD yang terbuat dari tembaga dan nikel menggunakan konvensi penamaan yang serupa. Meja 2 mencantumkan beberapa tipe umum.

Meja 2. Tipe RTD, bahan, dan rentang suhu. Data disediakan oleh Perangkat Analog

Selain jenis logam yang digunakan, struktur mekanik RTD juga mempengaruhi kinerja sensor. RTD dapat dibagi menjadi dua tipe dasar: film tipis dan wirewound. Kedua jenis ini akan dibahas pada bagian berikut.

Film Tipis vs. RTD wirewound

Untuk melanjutkan diskusi kita tentang RTD, mari kita jelajahi dua jenis: film tipis dan wirewound.

Dasar-dasar RTD Film Tipis

Struktur Tampilan RTD Film Tipis.jpeg

Struktur jenis film tipis ditunjukkan pada Gambar 3(A).

Angka 3. Contoh RTD film tipis, Di mana (A) menunjukkan struktur dan (B) menunjukkan tipe keseluruhan yang berbeda. Gambar (dimodifikasi) milik Evosensor

Dalam film tipis RTD, lapisan tipis platina diendapkan pada substrat keramik. Ini diikuti dengan anil dan stabilisasi suhu sangat tinggi, dan lapisan kaca pelindung tipis yang menutupi seluruh elemen. Area pemangkasan ditunjukkan pada Gambar 3(A) digunakan untuk menyesuaikan resistensi yang diproduksi ke nilai target yang ditentukan.

RTD film tipis mengandalkan teknologi yang relatif baru yang secara signifikan mengurangi waktu perakitan dan biaya produksi. Dibandingkan dengan tipe wirewound, yang akan kita jelajahi secara mendalam di bagian selanjutnya, RTD film tipis lebih tahan terhadap kerusakan akibat guncangan atau getaran. Selain itu, RTD film tipis dapat mengakomodasi resistensi besar di area yang relatif kecil. Misalnya, A 1.6 mm oleh 2.6 Sensor mm menyediakan area yang cukup untuk menghasilkan resistansi 1000 Oh. Karena ukurannya yang kecil, RTD film tipis dapat merespons perubahan suhu dengan cepat. Perangkat ini cocok untuk banyak aplikasi tujuan umum. Kerugian dari jenis ini adalah stabilitas jangka panjang yang relatif buruk dan kisaran suhu yang sempit.

RTD wirewound

Konstruksi RTD Wirewound

Angka 4. Ikhtisar konstruksi RTD wirewound dasar. Gambar milik PR Electronics

Jenis RTD ini dibuat dengan melilitkan platina sepanjang inti keramik atau kaca. Seluruh elemen biasanya dikemas dalam tabung keramik atau kaca untuk tujuan perlindungan. RTD dengan inti keramik cocok untuk mengukur suhu yang sangat tinggi. RTD Wirewound umumnya lebih akurat dibandingkan jenis film tipis. Namun, harganya lebih mahal dan lebih mudah rusak karena getaran.

Untuk meminimalkan ketegangan pada kawat platinum, koefisien ekspansi termal bahan yang digunakan dalam konstruksi sensor harus sesuai dengan platinum. Koefisien ekspansi termal yang identik meminimalkan perubahan resistansi yang disebabkan oleh tegangan jangka panjang pada elemen RTD, sehingga meningkatkan pengulangan dan stabilitas sensor.

RTD vs. Properti Termokopel

Untuk mengakhiri percakapan ini tentang sensor suhu RTD, berikut adalah perbandingan singkat antara sensor RTD dan termokopel.

Termokopel menghasilkan tegangan yang sebanding dengan perbedaan suhu antara kedua sambungannya. Termokopel mempunyai daya sendiri dan tidak memerlukan eksitasi eksternal, sedangkan pengukuran suhu berbasis RTD memerlukan arus atau tegangan eksitasi. Keluaran termokopel menentukan perbedaan suhu antara sambungan dingin dan panas, jadi kompensasi sambungan dingin diperlukan dalam aplikasi termokopel. Di sisi lain, kompensasi sambungan dingin tidak diperlukan untuk aplikasi RTD, menghasilkan sistem pengukuran yang lebih sederhana.

Termokopel biasanya digunakan dalam -184 °C to 2300 kisaran °C, sementara RTD dapat mengukur dari -200 °C to +850 ° C.. Meskipun RTD umumnya lebih akurat dibandingkan termokopel, harganya kira-kira dua sampai tiga kali lebih mahal daripada termokopel. Perbedaan lainnya adalah RTD lebih linier dibandingkan termokopel dan menunjukkan stabilitas jangka panjang yang unggul. Dengan termokopel, perubahan kimiawi pada material sensor dapat mengurangi stabilitas jangka panjang dan menyebabkan pembacaan sensor menyimpang.