Kas ir RTD termiskā rezistoru temperatūras noteikšanas sensors?

Pretestības temperatūras detektori vai RTD var būt vienkārši temperatūras sensoru veidi. Šīs ierīces darbojas pēc principa, ka metāla pretestība mainās līdz ar temperatūru. Tīriem metāliem parasti ir pozitīvs temperatūras pretestības koeficients, tas nozīmē, ka to pretestība palielinās, paaugstinoties temperatūrai. RTD darbojas plašā temperatūras diapazonā -200 ° C līdz +850 °C un piedāvā augstu precizitāti, lieliska ilgtermiņa stabilitāte, un atkārtojamību.

MAX31865 RTD platīna pretestības temperatūras detektors PT100 & PT1000

RTD PT100 temperatūras raidītājs DC24V mīnus 50 ~ 100 grāds

RTD Pt100 temperatūras sensora zonde cepeškrāsnim

Šajā rakstā, mēs apspriedīsim kompromisus, izmantojot PTA, tajos izmantotie metāli, divu veidu PTA, un kā RTD salīdzina ar termopāriem.

Pirms mēs iegremdējamies, Apskatīsim lietojumprogrammu diagrammas piemēru, lai labāk izprastu RTD pamatus.

PTA pielietojuma diagrammas piemērs

RTD ir pasīvas ierīces, kas pašas par sevi nerada izejas signālu. attēls 1 parādīta vienkāršota PTA pielietojuma diagramma.

Ķēdes diagramma RTD lietojumprogrammai Piemērs.jpeg

attēls 1. PTA pielietojuma diagrammas piemērs.

Ierosmes strāva I1 iet caur sensora temperatūras atkarīgo pretestību. Tas rada sprieguma signālu, kas ir proporcionāls ierosmes strāvai un RTD pretestībai. Pēc tam spriegums pāri RTD tiek pastiprināts un nosūtīts uz ADC (analogo-digitālo pārveidotāju) lai izveidotu digitālo izvades kodu, ko var izmantot RTD temperatūras aprēķināšanai.

RTD sensoru izmantošanas kompromisi - RTD sensoru priekšrocības un trūkumi

Pirms mēs iegremdējamies, ir svarīgi atzīmēt, ka sīkāka informācija par RTD signāla kondicionēšanu tiks aplūkota nākamajā rakstā. Šim rakstam, Es vēlos izcelt dažus pamata kompromisus, izmantojot RTD shēmas.

Pirmkārt, ņemiet vērā, ka ierosmes strāva parasti ir ierobežota līdz apm 1 mA, lai samazinātu pašsasilšanas efektus. Kad ierosmes strāva plūst caur RTD, tas rada I2R vai Džoula sildīšanu. Pašsasilšanas efekti var paaugstināt sensora temperatūru līdz vērtībām, kas pārsniedz apkārtējās vides temperatūru, kas faktiski tiek mērīta. Samazinot ierosmes strāvu, var samazināties pašsasilšanas efekts. Ir arī vērts pieminēt, ka pašsasilšanas efekts ir atkarīgs no vides, kurā RTD ir iegremdēts. Piemēram, PTD, kas novietots klusā gaisā, var izjust būtiskāku pašsasilšanas efektu nekā RTD, kas iegremdēts plūstošā ūdenī.

Konkrētām nosakāmām temperatūras izmaiņām, RTD sprieguma izmaiņām jābūt pietiekami lielām, lai pārvarētu sistēmas troksni, kā arī dažādu sistēmas parametru novirzes un novirzes. Tā kā pašsildīšana ierobežo ierosmes strāvu, mums ir jāizmanto RTD ar pietiekami lielu pretestību, tādējādi radot lielu spriegumu pakārtotajam signāla apstrādes blokam. Lai gan mērīšanas kļūdu samazināšanai ir vēlama liela RTD pretestība, mēs nevaram patvaļīgi palielināt pretestību, jo lielāka RTD pretestība rada lēnāku reakcijas laiku.

RTD metāli: Atšķirības starp platīnu, Zelts, un vara PTA

Teorētiski, PTA konstruēšanai var izmantot jebkura veida metālu. gadā CW Siemens izgudroja pirmo RTD 1860 izmantoja vara stiepli. Lai arī, Siemens drīz atklāja, ka platīna RTD sniedz precīzākus rezultātus plašākā temperatūras diapazonā.

Šodien, platīna RTD ir visplašāk izmantotie temperatūras sensori precīzai temperatūras mērīšanai. Platīnam ir lineāra pretestības un temperatūras attiecība, un tas ir ļoti atkārtojams lielā temperatūras diapazonā. Papildus, platīns nereaģē ar lielāko daļu piesārņojošo gāzu gaisā.

Papildus platīnam, divi citi plaši izplatīti PTA materiāli ir niķelis un varš. Tabula 1 nodrošina dažu izplatītu PTA metālu temperatūras koeficientus un relatīvo vadītspēju.

Augstas temperatūras Pt100 platīna termiskās pretestības sensors ir sprādziendrošs

WZP-130 231 Nerūsējošā tērauda platīna pretestības PT100 temperatūras sensors

Termorezistoru pt100 temperatūras sensors gultņiem

Tabula 1. Parasto RTD metālu temperatūras koeficienti un relatīvā vadītspēja. Datus nodrošina BAPI

Iepriekšējā sadaļā, mēs apspriedām, kā lielāka RTD pretestība var samazināt mērījumu kļūdas. Vara ir augstāka vadītspēja (vai līdzvērtīgi, zemāka pretestība) nekā platīns un niķelis. Noteiktam sensora izmēram un ierosmes strāvai, vara RTD var radīt salīdzinoši mazu spriegumu. Tāpēc, vara RTD var būt grūtāk izmērīt nelielas temperatūras izmaiņas. Papildus, varš oksidējas augstākā temperatūrā, tāpēc arī mērījumu diapazons ir ierobežots līdz -200 līdz +260 ° C. Neskatoties uz šiem ierobežojumiem, varš joprojām tiek izmantots dažos lietojumos tā linearitātes un zemo izmaksu dēļ. Kā parādīts attēlā 2 zemāk, no trim parastajiem PTA metāliem, vara ir lineārākā pretestības temperatūras raksturlielums.

Pretestība vs. Niķeļa temperatūras raksturojums, Vara, un platīna RTDs.jpeg

attēls 2. Pretestība vs. niķeļa temperatūras īpašības, varš, un platīna RTD. Attēlu sniedza TE Connectivity

Zeltam un sudrabam ir arī salīdzinoši zema pretestība, un tos reti izmanto kā RTD elementus. Niķeļa vadītspēja ir tuvu platīna vadītspējai. Kā redzams attēlā 2, niķelis piedāvā pretestības izmaiņas noteiktām temperatūras izmaiņām.

Lai arī, niķelis piedāvā zemāku temperatūras diapazonu, lielāka nelinearitāte, un lielāka ilgtermiņa novirze nekā platīnam. Turklāt, niķeļa pretestība dažādās partijās atšķiras. Šo ierobežojumu dēļ, niķeli galvenokārt izmanto zemu izmaksu lietojumos, piemēram, patēriņa produktos.

Parastie platīna RTD ir Pt100 un Pt1000. Šie nosaukumi raksturo sensora konstrukcijā izmantotā metāla veidu (platīns vai Pt) un nominālā pretestība pie 0 ° C, kas ir 100 Ω Pt100 un 1000 Ω Pt100 un Pt1000 tipiem, attiecīgi. Pt100 veidi agrāk bija populārāki; tomēr, šodien ir tendence uz augstākas pretestības RTD, jo lielāka pretestība nodrošina lielāku jutību un izšķirtspēju ar nelielām papildu izmaksām vai bez tām. RTD, kas izgatavoti no vara un niķeļa, izmanto līdzīgas nosaukumu piešķiršanas metodes. Tabula 2 uzskaitīti daži izplatīti veidi.

Tabula 2. PTA veidi, materiāliem, un temperatūras diapazoni. Analogo ierīču sniegtie dati

Papildus izmantotā metāla veidam, RTD mehāniskā struktūra ietekmē arī sensora darbību. PTA var iedalīt divos pamatveidos: plānas plēves un stiepļu aptīšanas. Šie divi veidi tiks apspriesti nākamajās sadaļās.

Plānā plēve vs. Stieples RTD

Lai turpinātu mūsu diskusiju par PTA, izpētīsim divus veidus: plānas plēves un stiepļu aptīšanas.

Plānās plēves RTD pamati

Thin Film RTD Display Structure.jpeg

Plānās kārtiņas tipa struktūra ir parādīta attēlā 3(a).

attēls 3. Plānās plēves RTD piemēri, kur (a) parāda struktūru un (b) parāda dažādus kopējos veidus. Attēls (modificēts) pieklājīgi no Evosensors

Plānā plēvē RTD, uz keramikas pamatnes tiek uzklāts plāns platīna slānis. Tam seko ļoti augstas temperatūras atkausēšana un stabilizācija, un plāns aizsargstikla slānis, kas pārklāj visu elementu. Apgriešanas laukums, kas parādīts attēlā 3(a) tiek izmantots, lai pielāgotu ražoto pretestību noteiktai mērķa vērtībai.

Plānās plēves RTD pamatā ir salīdzinoši jauna tehnoloģija, kas ievērojami samazina montāžas laiku un ražošanas izmaksas. Salīdzinājumā ar stiepļu uztīšanas veidu, ko padziļināti izpētīsim nākamajā sadaļā, plānas plēves RTD ir izturīgākas pret triecieniem vai vibrācijām. Turklāt, plānās plēves RTD var izturēt lielas pretestības salīdzinoši nelielā platībā. Piemēram, a 1.6 mm pēc 2.6 mm sensors nodrošina pietiekami daudz laukuma, lai radītu pretestību 1000 Ak. To mazā izmēra dēļ, plānslāņa RTD var ātri reaģēt uz temperatūras izmaiņām. Šīs ierīces ir piemērotas daudziem vispārējas nozīmes lietojumiem. Šāda veida trūkumi ir salīdzinoši slikta ilgtermiņa stabilitāte un šaurs temperatūras diapazons.

Stieples RTD

Wirewound RTD būvniecība

attēls 4. Pārskats par pamata vadu uztīšanas RTD uzbūvi. Attēlu sniedza PR Electronics

Šāda veida RTD izgatavo, aptinot platīna garumu ap keramikas vai stikla serdi. Aizsardzības nolūkos viss elements parasti ir iekapsulēts keramikas vai stikla caurulē. RTD ar keramikas serdeņiem ir piemēroti ļoti augstu temperatūru mērīšanai. Stiepļu RTD parasti ir precīzāki nekā plānās kārtiņas tipi. Lai arī, tie ir dārgāki un vieglāk sabojājami no vibrācijas.

Lai samazinātu platīna stieples noslogojumu, sensora konstrukcijā izmantotā materiāla termiskās izplešanās koeficientam jāsakrīt ar platīna koeficientu. Identiski termiskās izplešanās koeficienti samazina pretestības izmaiņas, ko izraisa ilgstoša spriedze RTD elementā, tādējādi uzlabojot sensoru atkārtojamību un stabilitāti.

RTD vs. Termopāra īpašības

Lai pabeigtu šo sarunu par RTD temperatūras sensoriem, šeit ir īss salīdzinājums starp RTD un termopāra sensoriem.

Termopāris rada spriegumu, kas ir proporcionāls temperatūras starpībai starp tā diviem krustojumiem. Termopāri darbojas ar pašenerģiju, un tiem nav nepieciešama ārēja ierosme, tā kā temperatūras mērījumiem, kuru pamatā ir RTD, ir nepieciešama ierosmes strāva vai spriegums. Termopāra izeja norāda temperatūras starpību starp auksto un karsto savienojumu, tāpēc termopāra lietojumos ir nepieciešama aukstā savienojuma kompensācija. No otras puses, aukstā savienojuma kompensācija nav nepieciešama PTA lietojumiem, kā rezultātā tiek iegūta vienkāršāka mērīšanas sistēma.

Termopāri parasti tiek izmantoti -184 ° C līdz 2300 °C diapazons, savukārt PTA var mērīt no -200 ° C līdz +850 ° C. Lai gan RTD parasti ir precīzāki nekā termopāri, tie ir aptuveni divas līdz trīs reizes dārgāki nekā termopāri. Vēl viena atšķirība ir tā, ka RTD ir lineārāki nekā termopāri un tiem piemīt izcila ilgtermiņa stabilitāte. Ar termopāriem, ķīmiskās izmaiņas sensora materiālā var samazināt ilgtermiņa stabilitāti un izraisīt sensora rādījumu novirzi.