Hva er en RTD termisk motstand temperaturdeteksjonssensor?

Motstandstemperaturdetektorer eller RTD-er kan være enkle typer temperatursensorer. Disse enhetene fungerer etter prinsippet om at motstanden til et metall endres med temperaturen. Rene metaller har generelt en positiv temperaturkoeffisient for motstand, betyr at motstanden deres øker når temperaturen øker. RTDer opererer over et bredt temperaturområde på -200 °C til +850 °C og gir høy nøyaktighet, utmerket langsiktig stabilitet, og repeterbarhet.

MAX31865 RTD Platinum motstandstemperaturdetektor PT100 & PT1000

RTD PT100 Temperatursender DC24V Minus 50 ~ 100 grad

RTD Pt100 temperatursensorsonde for ovn

I denne artikkelen, vi vil diskutere avveiningene ved å bruke RTDer, metallene som brukes i dem, de to typene FTU-er, og hvordan RTDer sammenlignes med termoelementer.

Før vi stuper inn, la oss ta en titt på et eksempel på et applikasjonsdiagram for bedre å forstå grunnleggende RTD.

Eksempel på RTD-applikasjonsdiagram

RTD-er er passive enheter som ikke genererer et utgangssignal på egen hånd. Figur 1 viser et forenklet RTD-applikasjonsdiagram.

Kretsdiagram for RTD-applikasjon Eksempel.jpeg

Figur 1. Eksempel på RTD-applikasjonsdiagram.

Eksitasjonsstrømmen I1 går gjennom sensorens temperaturavhengige motstand. Dette produserer et spenningssignal som er proporsjonalt med eksitasjonsstrømmen og motstanden til RTD. Spenningen over RTDen blir deretter forsterket og sendt til en ADC (analog-til-digital omformer) å produsere en digital utgangskode som kan brukes til å beregne RTD-temperaturen.

Avveininger ved bruk av RTD-sensorer – Fordeler og ulemper med RTD-sensorer

Før vi stuper inn, det er viktig å merke seg at detaljene om RTD-signalbehandling vil bli dekket i en fremtidig artikkel. For denne artikkelen, Jeg vil fremheve noen grunnleggende avveininger ved bruk av RTD-kretser.

Først, merk at eksitasjonsstrømmen vanligvis er begrenset til rundt 1 mA for å minimere selvoppvarmingseffekter. Når eksitasjonsstrømmen flyter gjennom RTD, den genererer I2R- eller Joule-oppvarming. Selvoppvarmingseffekter kan heve sensortemperaturen til verdier over omgivelsestemperaturen som faktisk måles. Redusering av eksitasjonsstrømmen kan redusere selvoppvarmingseffekten. Det er også verdt å nevne at selvoppvarmingseffekten avhenger av mediet som RTD er nedsenket i. For eksempel, en RTD plassert i stille luft kan oppleve større selvoppvarmingseffekter enn en RTD nedsenket i rennende vann.

For en gitt detekterbar temperaturendring, endringen i RTD-spenning bør være stor nok til å overvinne systemstøy samt forskyvninger og drift av forskjellige systemparametere. Siden selvoppvarming begrenser eksitasjonsstrømmen, vi må bruke en RTD med stor nok motstand, genererer således en stor spenning for nedstrøms signalbehandlingsblokken. Mens en stor RTD-motstand er ønskelig for å redusere målefeil, vi kan ikke vilkårlig øke motstanden fordi en større RTD-motstand resulterer i en langsommere responstid.

RTD metaller: Forskjeller mellom platina, Gull, og kobber RTDer

I teorien, alle typer metall kan brukes til å konstruere en RTD. Den første RTDen oppfunnet av CW Siemens i 1860 brukte en kobbertråd. Imidlertid, Siemens oppdaget snart at platina RTD ga mer nøyaktige resultater over et bredere temperaturområde.

I dag, platina RTDer er de mest brukte temperatursensorene for presisjonstemperaturmåling. Platina har et lineært motstand-temperaturforhold og er svært repeterbart over et stort temperaturområde. I tillegg, platina reagerer ikke med de fleste forurensende gasser i luften.

I tillegg til platina, to andre vanlige RTD-materialer er nikkel og kobber. Bord 1 gir temperaturkoeffisienten og den relative ledningsevnen til noen vanlige RTD-metaller.

Høytemperatur Pt100 platina termisk motstandssensor eksplosjonssikker

WZP-130 231 Rustfritt stål platina motstand PT100 temperatursensor

Termisk motstand pt100 temperatursensor for lagre

Bord 1. Temperaturkoeffisienter og relativ ledningsevne for vanlige RTD-metaller. Data levert av BAPI

I forrige avsnitt, vi diskuterte hvordan større RTD-motstand kan redusere målefeil. Kobber har en høyere ledningsevne (eller tilsvarende, lavere motstand) enn platina og nikkel. For en gitt sensorstørrelse og eksitasjonsstrøm, en kobber RTD kan produsere en relativt liten spenning. Derfor, kobber RTDer kan være mer utfordrende å måle små temperaturendringer. I tillegg, kobber oksiderer ved høyere temperaturer, så måleområdet er også begrenset til -200 til +260 ° C.. Til tross for disse begrensningene, kobber brukes fortsatt i noen applikasjoner på grunn av sin linearitet og lave pris. Som vist i figur 2 under, av de tre vanlige FTU-metallene, kobber har den mest lineære motstand-temperatur-karakteristikken.

Motstand vs. Temperaturkarakteristikker til nikkel, Kopper, og Platinum RTDs.jpeg

Figur 2. Motstand vs. temperaturegenskaper til nikkel, kopper, og platina RTDer. Bilde med tillatelse fra TE Connectivity

Gull og sølv har også relativt lav motstand og brukes sjelden som RTD-elementer. Nikkel har en ledningsevne nær platina. Som kan sees i figur 2, nikkel gir en endring i motstand for en gitt temperaturendring.

Imidlertid, nikkel gir et lavere temperaturområde, større ikke-linearitet, og større langsiktig drift enn platina. I tillegg, nikkels motstand varierer fra batch til batch. På grunn av disse begrensningene, nikkel brukes først og fremst i lavkostapplikasjoner som forbrukerprodukter.

Vanlige platina RTDer er Pt100 og Pt1000. Disse navnene beskriver typen metall som brukes i sensorens konstruksjon (platina eller Pt) og den nominelle motstanden kl 0 ° C., som er 100 Ω for Pt100 og 1000 Ω for Pt100 og Pt1000 typer, hhv. Pt100-typer var mer populære tidligere; imidlertid, i dag går trenden mot høyere motstands-RTDer, ettersom høyere motstand gir større følsomhet og oppløsning med liten eller ingen ekstra kostnad. RTD-er laget av kobber og nikkel bruker lignende navnekonvensjoner. Bord 2 viser noen vanlige typer.

Bord 2. FTU-typer, materialer, og temperaturområder. Data levert av analoge enheter

I tillegg til typen metall som brukes, den mekaniske strukturen til RTDen påvirker også sensorytelsen. FTU-er kan deles inn i to grunnleggende typer: tynn film og trådviklet. Disse to typene vil bli diskutert i de følgende avsnittene.

Tynn film vs. Trådviklede RTDer

For å fremme vår diskusjon om FTU-er, la oss utforske to typer: tynn film og trådviklet.

Grunnleggende om tynnfilm RTD

Tynnfilm RTD Display Structure.jpeg

Strukturen til tynnfilmtypen er vist i figuren 3(en).

Figur 3. Eksempler på tynnfilm-RTDer, hvor (en) viser strukturen og (b) viser de ulike totaltypene. Bilde (modifisert) med tillatelse fra Evosensors

I en tynn film RTD, et tynt lag platina avsettes på et keramisk underlag. Dette etterfølges av gløding og stabilisering med svært høy temperatur, og et tynt beskyttende glasslag som dekker hele elementet. Trimmeområdet vist i figur 3(en) brukes til å justere den produserte motstanden til en spesifisert målverdi.

Tynnfilm-RTDer er avhengige av relativt ny teknologi som reduserer monteringstid og produksjonskostnader betydelig. Sammenlignet med trådviklet type, som vi vil utforske i dybden i neste avsnitt, tynnfilm RTD-er er mer motstandsdyktige mot skade fra støt eller vibrasjoner. I tillegg, tynnfilm RTDer kan romme store motstander i et relativt lite område. For eksempel, en 1.6 mm etter 2.6 mm sensor gir nok areal til å produsere en motstand på 1000 Åh. På grunn av deres lille størrelse, tynnfilm RTD-er kan reagere raskt på temperaturendringer. Disse enhetene er egnet for mange generelle applikasjoner. Ulempene med denne typen er relativt dårlig langtidsstabilitet og et smalt temperaturområde.

Trådviklede RTDer

Konstruksjon av en Wirewound RTD

Figur 4. Oversikt over konstruksjonen av en grunnleggende trådviklet RTD. Bilde med tillatelse fra PR Electronics

Denne typen RTD lages ved å vikle en lengde platina rundt en keramikk- eller glasskjerne. Hele elementet er vanligvis innkapslet i et keramikk- eller glassrør for beskyttelsesformål. RTDer med keramiske kjerner er egnet for måling av svært høye temperaturer. Trådviklede RTDer er generelt mer nøyaktige enn tynnfilmtyper. Imidlertid, de er dyrere og lettere skadet av vibrasjoner.

For å minimere belastningen på platinatråden, den termiske ekspansjonskoeffisienten til materialet som brukes i sensorkonstruksjonen bør samsvare med platina. Identiske termiske ekspansjonskoeffisienter minimerer motstandsendringer forårsaket av langvarig stress i RTD-elementet, og forbedrer dermed sensorens repeterbarhet og stabilitet.

RTD vs. Termoelementegenskaper

For å avslutte denne samtalen om RTD-temperatursensorer, her er en kort sammenligning mellom RTD- og termoelementsensorer.

Et termoelement produserer en spenning som er proporsjonal med temperaturforskjellen mellom de to knutepunktene. Termoelementer er selvdrevne og krever ikke ekstern eksitasjon, mens RTD-baserte temperaturmålinger krever en eksitasjonsstrøm eller spenning. Termoelementutgang spesifiserer temperaturforskjellen mellom de kalde og varme kryssene, så kompensasjon for kalde overganger er nødvendig i termoelementapplikasjoner. På den annen side, Cold junction-kompensasjon er ikke nødvendig for RTD-applikasjoner, som resulterer i et enklere målesystem.

Termoelementer brukes vanligvis i -184 °C til 2300 °C område, mens RTD kan måle fra -200 °C til +850 ° C.. Selv om RTD-er generelt er mer nøyaktige enn termoelementer, de er omtrent to til tre ganger dyrere enn termoelementer. En annen forskjell er at RTD-er er mer lineære enn termoelementer og viser overlegen langsiktig stabilitet. Med termoelementer, kjemiske endringer i sensormaterialet kan redusere langtidsstabiliteten og få sensoravlesningen til å drive.