Che cos'è un sensore di rilevamento della temperatura del resistore termico RTD?

I rilevatori di temperatura a resistenza o RTD possono essere tipi semplici di sensori di temperatura. Questi dispositivi funzionano secondo il principio che la resistenza di un metallo cambia con la temperatura. I metalli puri hanno generalmente un coefficiente di resistenza alla temperatura positivo, ciò significa che la loro resistenza aumenta all'aumentare della temperatura. Gli RTD funzionano in un ampio intervallo di temperature di -200 ° C a +850 °C e offrono un'elevata precisione, Eccellente stabilità a lungo termine, e ripetibilità.

MAX31865 Rilevatore di temperatura con resistenza al platino RTD PT100 & PT1000

Trasmettitore di temperatura RTD PT100 DC24V meno 50 ~ 100 grado

Sonda sensore di temperatura RTD Pt100 per forno

In questo articolo, discuteremo i compromessi derivanti dall'utilizzo degli RST, i metalli in essi utilizzati, i due tipi di RTD, e come gli RTD si confrontano con le termocoppie.

Prima di immergerci, diamo un'occhiata a un diagramma applicativo di esempio per comprendere meglio le nozioni di base dell'RTD.

Esempio di diagramma di applicazione RTD

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

Circuit Diagram for RTD Application Example.jpeg

Figura 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 (convertitore analogico-digitale) 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

Prima di immergerci, it is important to note that the details of RTD signal conditioning will be covered in a future article. For this article, Voglio evidenziare alcuni compromessi di base quando si utilizzano circuiti RTD.

Primo, si noti che la corrente di eccitazione è generalmente limitata a circa 1 mA per ridurre al minimo gli effetti di autoriscaldamento. Quando la corrente di eccitazione scorre attraverso l'RTD, genera riscaldamento I2R o Joule. Gli effetti di autoriscaldamento possono aumentare la temperatura del sensore a valori superiori alla temperatura ambiente effettivamente misurata. Riducendo la corrente di eccitazione è possibile ridurre l'effetto di autoriscaldamento. Vale anche la pena ricordare che l'effetto di autoriscaldamento dipende dal mezzo in cui è immersa l'RTD. Per esempio, un RTD posizionato in aria ferma può sperimentare effetti di autoriscaldamento più significativi rispetto a un RTD immerso in acqua corrente.

Per un dato cambiamento di temperatura rilevabile, la variazione della tensione dell'RTD dovrebbe essere sufficientemente ampia da superare il rumore del sistema nonché gli offset e le derive dei diversi parametri del sistema. Poiché l'autoriscaldamento limita la corrente di eccitazione, dobbiamo utilizzare un RTD con una resistenza sufficientemente grande, generando così una grande tensione per il blocco di elaborazione del segnale a valle. Mentre una grande resistenza RTD è auspicabile per ridurre gli errori di misurazione, non possiamo aumentare arbitrariamente la resistenza perché una resistenza RTD maggiore si traduce in un tempo di risposta più lento.

Metalli RST: Differenze tra platino, Oro, e RTD in rame

In teoria, qualsiasi tipo di metallo può essere utilizzato per costruire un RTD. Il primo RTD inventato da CW Siemens nel 1860 utilizzato un filo di rame. Tuttavia, Siemens scoprì presto che gli RTD in platino producevano risultati più accurati su un intervallo di temperature più ampio.

Oggi, Gli RTD al platino sono i sensori di temperatura più utilizzati per la misurazione di precisione della temperatura. Il platino ha una relazione lineare tra resistenza e temperatura ed è altamente ripetibile in un ampio intervallo di temperature. Inoltre, il platino non reagisce con la maggior parte dei gas inquinanti presenti nell'aria.

Oltre al platino, altri due materiali comuni per RTD sono il nichel e il rame. Tavolo 1 fornisce i coefficienti di temperatura e la conduttività relativa di alcuni comuni metalli RTD.

Sensore di resistenza termica al platino Pt100 ad alta temperatura antideflagrante

WZP-130 231 Sensore di temperatura PT100 con resistenza al platino in acciaio inossidabile

Sensore di temperatura termoresistenza pt100 per cuscinetti

Tavolo 1. Coefficienti di temperatura e conduttività relativa dei comuni metalli RTD. Dati forniti da BAPI

Nella sezione precedente, 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. Perciò, copper RTDs can be more challenging to measure small temperature changes. Inoltre, copper oxidizes at higher temperatures, so the measurement range is also limited to -200 A +260 °C. Despite these limitations, copper is still used in some applications due to its linearity and low cost. Come mostrato in Figura 2 below, of the three common RTD metals, copper has the most linear resistance-temperature characteristic.

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

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

Anche l'oro e l'argento hanno una resistenza relativamente bassa e sono usati raramente come elementi RTD. Il nichel ha una conduttività vicina a quella del platino. Come si può vedere nella Figura 2, il nichel offre una variazione di resistenza per un dato cambiamento di temperatura.

Tuttavia, il nichel offre un intervallo di temperature più basso, maggiore non linearità, e una maggiore deriva a lungo termine rispetto al platino. Inoltre, la resistenza del nichel varia da lotto a lotto. A causa di queste limitazioni, il nichel viene utilizzato principalmente in applicazioni a basso costo come i prodotti di consumo.

Gli RTD al platino più comuni sono Pt100 e Pt1000. Questi nomi descrivono il tipo di metallo utilizzato nella costruzione del sensore (platino o Pt) e la resistenza nominale a 0 °C, che è 100 Ω per Pt100 e 1000 Ω per i tipi Pt100 e Pt1000, rispettivamente. I tipi Pt100 erano più popolari in passato; Tuttavia, 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. Tavolo 2 lists some common types.

Tavolo 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).

Figura 3. Esempi di RTD a film sottile, Dove (UN) mostra la struttura e (B) mostra i diversi tipi complessivi. Immagine (modificato) per gentile concessione di Evosensors

In un film sottile RTD, un sottile strato di platino viene depositato su un substrato ceramico. Seguono la ricottura e la stabilizzazione a temperatura molto elevata, e un sottile strato di vetro protettivo che ricopre l'intero elemento. L'area di ritaglio mostrata nella Figura 3(UN) viene utilizzato per regolare la resistenza prodotta su un valore target specificato.

Gli RTD a film sottile si basano su una tecnologia relativamente nuova che riduce significativamente i tempi di assemblaggio e i costi di produzione. Rispetto al tipo a filo avvolto, che esploreremo approfonditamente nel prossimo paragrafo, gli RTD a film sottile sono più resistenti ai danni causati da urti o vibrazioni. Inoltre, gli RTD a film sottile possono ospitare grandi resistenze in un'area relativamente piccola. Per esempio, UN 1.6 mm di 2.6 Il sensore da mm fornisce un'area sufficiente per produrre una resistenza di 1000 OH. A causa delle loro piccole dimensioni, gli RTD a film sottile possono rispondere rapidamente ai cambiamenti di temperatura. Questi dispositivi sono adatti per molte applicazioni generiche. Gli svantaggi di questo tipo sono la stabilità a lungo termine relativamente scarsa e un intervallo di temperature ristretto.

Wirewound RTDs

Costruzione di un RTD a filo avvolto

Figura 4. Panoramica della costruzione di un RTD di base a filo avvolto. Immagine gentilmente concessa da PR Electronics

Questo tipo di RTD è realizzato avvolgendo un pezzo di platino attorno a un nucleo in ceramica o vetro. L'intero elemento è solitamente incapsulato all'interno di un tubo di ceramica o di vetro a scopo protettivo. Gli RTD con nucleo ceramico sono adatti per misurare temperature molto elevate. Gli RTD a filo avvolto sono generalmente più precisi rispetto ai tipi a film sottile. Tuttavia, sono più costosi e più facilmente danneggiabili dalle vibrazioni.

Per ridurre al minimo qualsiasi tensione sul filo di platino, il coefficiente di dilatazione termica del materiale utilizzato nella costruzione del sensore dovrebbe corrispondere a quello del platino. I coefficienti di espansione termica identici riducono al minimo le variazioni di resistenza causate dallo stress a lungo termine nell'elemento RTD, migliorando così la ripetibilità e la stabilità del sensore.

RST vs. Proprietà della termocoppia

Per concludere questa conversazione sui sensori di temperatura RTD, ecco un breve confronto tra i sensori RTD e termocoppia.

Una termocoppia produce una tensione proporzionale alla differenza di temperatura tra le sue due giunzioni. Le termocoppie sono autoalimentate e non necessitano di eccitazione esterna, mentre le misurazioni della temperatura basate su RTD richiedono una corrente o tensione di eccitazione. L'uscita della termocoppia specifica la differenza di temperatura tra le giunzioni fredde e calde, pertanto nelle applicazioni con termocoppie è necessaria la compensazione della giunzione fredda. D'altra parte, La compensazione della giunzione fredda non è richiesta per le applicazioni RTD, risultando in un sistema di misurazione più semplice.

Le termocoppie vengono generalmente utilizzate in -184 ° C a 2300 intervallo °C, mentre gli RTD possono misurare da -200 ° C a +850 °C. Sebbene gli RTD siano generalmente più precisi delle termocoppie, sono circa due o tre volte più costose delle termocoppie. Un'altra differenza è che gli RTD sono più lineari delle termocoppie e mostrano una stabilità a lungo termine superiore. Con termocoppie, cambiamenti chimici nel materiale del sensore possono ridurre la stabilità a lungo termine e causare deviazioni nella lettura del sensore.