Wat is een RTD thermische weerstandstemperatuurdetectiesensor?

Weerstandstemperatuurdetectoren of RTD's kunnen eenvoudige soorten temperatuursensoren zijn. Deze apparaten werken volgens het principe dat de weerstand van een metaal verandert met temperatuur. Pure metalen hebben over het algemeen een positieve weerstandscoëfficiënt, wat betekent dat hun weerstand toeneemt naarmate de temperatuur toeneemt. RTD's werken over een breed temperatuurbereik van -200 °C tot +850 ° C en bieden een hoge nauwkeurigheid, Uitstekende stabiliteit op lange termijn, en herhaalbaarheid.

Max31865 RTD Platinumweerstand Temperatuurdetector PT100 & PT1000

RTD PT100 Temperatuur zender DC24V Minus 50 ~ 100 cijfer

RTD PT100 Temperatuursensor sonde voor oven

In dit artikel, We zullen de afwegingen van het gebruik van RTD's bespreken, de metalen die erin worden gebruikt, De twee soorten RTD's, en hoe RTD's zich verhouden tot thermokoppels.

Voordat we erin duiken, Laten we eens kijken naar een voorbeeld van het toepassingsdiagram om RTD -basisprincipes beter te begrijpen.

RTD Application Diagram Example

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

Circuit Diagram for RTD Application Example.jpeg

Figuur 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 (analoog-naar-digitale 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

Voordat we erin duiken, it is important to note that the details of RTD signal conditioning will be covered in a future article. For this article, Ik wil enkele basisuitschations benadrukken bij het gebruik van RTD -circuits.

Eerst, Merk op dat de excitatiestroom meestal beperkt is tot rond 1 MA om zelfverwarmende effecten te minimaliseren. Wanneer de excitatiestroom door de RTD stroomt, Het genereert I2R of Joule -verwarming. Zelfverwarmende effecten kunnen de sensortemperatuur verhogen tot waarden boven de omgevingstemperatuur die daadwerkelijk wordt gemeten. Het verminderen van de excitatiestroom kan het zelfverwarmende effect verminderen. Het is ook vermeldenswaard dat het zelfverwarmende effect afhangt van het medium waarin de RTD is ondergedompeld. Bijvoorbeeld, Een RTD geplaatst in stille lucht kan meer belangrijke zelfverwarmende effecten ervaren dan een RTD ondergedompeld in stromend water.

Voor een bepaalde detecteerbare temperatuurverandering, De verandering in RTD -spanning moet groot genoeg zijn om systeemruis te overwinnen, evenals offsets en drifts van verschillende systeemparameters. Omdat zelfverwarming de excitatiestroom beperkt, We moeten een RTD gebruiken met een genoeg weerstand, dus het genereren van een grote spanning voor het stroomafwaartse signaalverwerkingsblok. Terwijl een grote RTD -weerstand wenselijk is om meetfouten te verminderen, We kunnen de weerstand niet willekeurig verhogen omdat een grotere RTD -weerstand resulteert in een langzamere responstijd.

RTD -metalen: Verschillen tussen platina, Goud, en koper RTD's

In theorie, Elk soort metaal kan worden gebruikt om een ​​RTD te construeren. De eerste RTD uitgevonden door CW Siemens in 1860 gebruikte een koperdraad. Echter, Siemens ontdekte al snel dat platina RTD's meer accurate resultaten opleverden over een breder temperatuurbereik.

Vandaag, Platinum RTD's zijn de meest gebruikte temperatuursensoren voor precisietemperatuurmeting. Platina heeft een lineaire weerstandstemperatuurrelatie en is zeer herhaalbaar over een groot temperatuurbereik. In aanvulling, Platina reageert niet met de meeste gassen van verontreinigende stoffen in de lucht.

Naast platina, Twee andere veel voorkomende RTD -materialen zijn nikkel en koper. Tafel 1 Biedt de temperatuurcoëfficiënten en de relatieve geleidbaarheid van sommige veel voorkomende RTD -metalen.

Hoge temperatuur PT100 Platinum thermische weerstandssensor explosieverdicht

WZP-130 231 Roestvrijstalen platina -weerstand PT100 Temperatuursensor

Thermische weerstand PT100 Temperatuursensor voor lagers

Tafel 1. Temperatuurcoëfficiënten en relatieve geleidbaarheid van gemeenschappelijke RTD -metalen. Gegevens verstrekt door BAPI

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

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

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

Goud en zilver hebben ook een relatief lage weerstand en worden zelden gebruikt als RTD -elementen. Nikkel heeft een geleidbaarheid dicht bij die van platina. Zoals te zien is in figuur 2, Nikkel biedt een verandering in weerstand voor een bepaalde temperatuurverandering.

Echter, Nikkel biedt een lagere temperatuurbereik, Grotere niet -lineariteit, en grotere langdurige drift dan platina. Aanvullend, De weerstand van Nickel varieert van batch tot batch. Vanwege deze beperkingen, Nikkel wordt voornamelijk gebruikt in goedkope toepassingen zoals consumentenproducten.

Veel voorkomende platina RTD's zijn PT100 en PT1000. Deze namen beschrijven het type metaal dat wordt gebruikt in de constructie van de sensor (platina of pt) en de nominale weerstand op 0 °C, Welke is 100 Ω voor PT100 en 1000 Ω voor PT100- en PT1000 -typen, respectievelijk. PT100 -typen waren in het verleden populairder; Echter, 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. Tafel 2 lists some common types.

Tafel 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).

Figuur 3. Voorbeelden van dunne film RTD's, waar (A) toont de structuur en (B) toont de verschillende algemene typen. Afbeelding (aangepast) Met dank aan Evosensors

In een dunne film RTD, Een dunne laag platina wordt afgezet op een keramisch substraat. Dit wordt gevolgd door zeer hoge temperatuur gloeien en stabilisatie, en een dunne beschermende glazen laag die het hele element bedekt. Het trimgebied getoond in figuur 3(A) wordt gebruikt om de geproduceerde weerstand aan te passen aan een gespecificeerde doelwaarde.

Dunne film RTD's zijn afhankelijk van relatief nieuwe technologie die de montagetijd en productiekosten aanzienlijk vermindert. Vergeleken met het draad van de draadwonden, die we in de volgende sectie diepgaand zullen verkennen, Dunne film RTD's zijn beter bestand tegen schade door schok of trillingen. Aanvullend, Dun-film RTD's kunnen grote weerstanden geschikt zijn in een relatief klein gebied. Bijvoorbeeld, A 1.6 mm door 2.6 mm -sensor biedt voldoende gebied om een ​​weerstand van te produceren 1000 Oh. Vanwege hun kleine maat, Dun-film RTD's kunnen snel reageren op temperatuurveranderingen. Deze apparaten zijn geschikt voor veel algemene toepassingen. De nadelen van dit type zijn relatief slechte stabiliteit op lange termijn en een smal temperatuurbereik.

Wirewound RTDs

Constructie van een draadwonden RTD

Figuur 4. Overzicht van de constructie van een eenvoudige draadwonde RTD. Afbeelding met dank aan PR -elektronica

Dit type RTD wordt gemaakt door een lengte platina rond een keramische of glazen kern te wikkelen. Het hele element is meestal ingekapseld in een keramische of glazen buis voor beschermingsdoeleinden. RTD's met keramische kernen zijn geschikt voor het meten van zeer hoge temperaturen. Wirewound RTD's zijn over het algemeen nauwkeuriger dan dunne-filmtypen. Echter, Ze zijn duurder en gemakkelijker beschadigd door trillingen.

Om elke spanning op de platinadraad te minimaliseren, De thermische expansiecoëfficiënt van het materiaal dat in de sensorconstructie wordt gebruikt, moet overeenkomen met die van het platina. Identieke thermische expansiecoëfficiënten minimaliseren weerstandsveranderingen veroorzaakt door langdurige stress in het RTD-element, waardoor de herhaalbaarheid en stabiliteit van de sensor wordt verbeterd.

RTD vs. Thermokoppeligenschappen

Om dit gesprek over RTD -temperatuursensoren af ​​te ronden, Hier is een korte vergelijking tussen RTD- en thermokoppelsensoren.

Een thermokoppel produceert een spanning die evenredig is met het temperatuurverschil tussen zijn twee juncties. Thermokoppels zijn zelfstoren en vereisen geen externe excitatie, Terwijl op RTD gebaseerde temperatuurmetingen een excitatiestroom of spanning vereisen. Thermokoppeluitgang specificeert het temperatuurverschil tussen de koude en hete junctions, Dus cold junction compensatie is vereist in thermokoppeltoepassingen. Anderzijds, Cold junction compensatie is niet vereist voor RTD -toepassingen, resulterend in een eenvoudiger meetsysteem.

Thermokoppels worden meestal gebruikt in de -184 °C tot 2300 ° C bereik, Terwijl RTD's kunnen meten van -200 °C tot +850 °C. Hoewel RTD's over het algemeen nauwkeuriger zijn dan thermokoppels, Ze zijn ongeveer twee tot drie keer duurder dan thermokoppels. Een ander verschil is dat RTD's lineairer zijn dan thermokoppels en een superieure stabiliteit op lange termijn vertonen. Met thermokoppels, Chemische veranderingen in het sensormateriaal kunnen de stabiliteit op lange termijn verminderen en ervoor zorgen dat de sensorlezing afwijkt.