Co to jest czujnik temperatury z rezystorem termicznym RTD?

Rezystancyjne czujniki temperatury lub czujniki RTD mogą być prostymi typami czujników temperatury. Urządzenia te działają na zasadzie zmiany rezystancji metalu wraz ze zmianą temperatury. Czyste metale mają na ogół dodatni współczynnik temperaturowy oporu, co oznacza, że ​​ich opór wzrasta wraz ze wzrostem temperatury. Czujniki RTD działają w szerokim zakresie temperatur -200 ° C do +850 °C i zapewniają wysoką dokładność, doskonała długoterminowa stabilność, i powtarzalność.

MAX31865 Rezystancyjny platynowy czujnik temperatury RTD PT100 & PT1000

Nadajnik temperatury RTD PT100 DC24V minus 50 ~ 100 stopień

Sonda czujnika temperatury RTD Pt100 do piekarnika

W tym artykule, omówimy kompromisy wynikające ze stosowania czujników RTD, użyte w nich metale, dwa typy BRT, i porównanie czujników RTD z termoparami.

Zanim się zanurzymy, rzućmy okiem na przykładowy diagram aplikacji, aby lepiej zrozumieć podstawy BRT.

Przykładowy schemat zastosowania RTD

Czujniki RTD to urządzenia pasywne, które samodzielnie nie generują sygnału wyjściowego. Postać 1 pokazuje uproszczony schemat zastosowania RTD.

Schemat obwodu dla aplikacji RTD Przykład.jpeg

Postać 1. Przykładowy diagram aplikacji RTD.

Prąd wzbudzenia I1 przepływa przez zależną od temperatury rezystancję czujnika. W ten sposób wytwarzany jest sygnał napięciowy proporcjonalny do prądu wzbudzenia i rezystancji czujnika RTD. Napięcie na czujniku RTD jest następnie wzmacniane i przesyłane do przetwornika ADC (przetwornik analogowo-cyfrowy) w celu wygenerowania cyfrowego kodu wyjściowego, który można wykorzystać do obliczenia temperatury czujnika RTD.

Kompromisy stosowania czujników RTD – zalety i wady czujników RTD

Zanim się zanurzymy, należy zauważyć, że szczegóły kondycjonowania sygnału RTD zostaną omówione w kolejnym artykule. Dla tego artykułu, Chcę podkreślić kilka podstawowych kompromisów podczas korzystania z obwodów RTD.

Pierwszy, należy pamiętać, że prąd wzbudzenia jest zwykle ograniczony do około 1 mA, aby zminimalizować efekt samonagrzewania. Gdy prąd wzbudzenia przepływa przez czujnik RTD, generuje ogrzewanie I2R lub Joule'a. Efekty samonagrzewania mogą podnieść temperaturę czujnika do wartości powyżej faktycznie mierzonej temperatury otoczenia. Zmniejszenie prądu wzbudzenia może zmniejszyć efekt samonagrzewania. Warto również wspomnieć, że efekt samonagrzewania zależy od medium, w którym zanurzony jest czujnik RTD. Na przykład, czujnik RTD umieszczony w nieruchomym powietrzu może doświadczać bardziej znaczących efektów samonagrzewania niż czujnik RTD zanurzony w płynącej wodzie.

Dla danej wykrywalnej zmiany temperatury, zmiana napięcia czujnika RTD powinna być wystarczająco duża, aby pokonać szumy systemu, a także przesunięcia i dryfty różnych parametrów systemu. Ponieważ samonagrzewanie ogranicza prąd wzbudzenia, musimy zastosować czujnik RTD o wystarczająco dużej rezystancji, generując w ten sposób duże napięcie dla dalszego bloku przetwarzania sygnału. Chociaż duża rezystancja czujnika RTD jest pożądana w celu zmniejszenia błędów pomiaru, nie możemy dowolnie zwiększać rezystancji, ponieważ większa rezystancja czujnika RTD powoduje wolniejszy czas reakcji.

BRT Metale: Różnice między platyną, Złoto, i miedziane czujniki RTD

Teoretycznie, Do skonstruowania czujnika RTD można użyć dowolnego rodzaju metalu. Pierwszy RTD wynaleziony przez CW Siemens w 1860 użył drutu miedzianego. Jednakże, Firma Siemens wkrótce odkryła, że ​​platynowe czujniki RTD dają dokładniejsze wyniki w szerszym zakresie temperatur.

Dzisiaj, Platynowe czujniki RTD są najczęściej stosowanymi czujnikami temperatury do precyzyjnego pomiaru temperatury. Platyna ma liniową zależność rezystancji od temperatury i jest wysoce powtarzalna w dużym zakresie temperatur. Ponadto, platyna nie reaguje z większością gazów zanieczyszczających powietrze.

Oprócz platyny, dwa inne popularne materiały RTD to nikiel i miedź. Tabela 1 podaje współczynniki temperaturowe i przewodność względną niektórych popularnych metali RTD.

Wysokotemperaturowy platynowy czujnik rezystancji termicznej Pt100 w wykonaniu przeciwwybuchowym

WZP-130 231 Czujnik temperatury PT100 ze stali nierdzewnej, platynowy

Czujnik temperatury pt100 z rezystorem termicznym do łożysk

Tabela 1. Współczynniki temperaturowe i przewodność względna powszechnie stosowanych metali RTD. Dane dostarczone przez BAPI

W poprzedniej sekcji, omawialiśmy, jak większa rezystancja czujnika RTD może zmniejszyć błędy pomiaru. Miedź ma wyższą przewodność (lub równoważnie, niższy opór) niż platyna i nikiel. Dla danej wielkości czujnika i prądu wzbudzenia, miedziany czujnik RTD może wytwarzać stosunkowo małe napięcie. Dlatego, Miedziane czujniki RTD mogą być trudniejsze do pomiaru małych zmian temperatury. Ponadto, miedź utlenia się w wyższych temperaturach, więc zakres pomiarowy jest również ograniczony do -200 Do +260 °C. Pomimo tych ograniczeń, miedź jest nadal używana w niektórych zastosowaniach ze względu na jej liniowość i niski koszt. Jak pokazano na rysunku 2 poniżej, z trzech powszechnie stosowanych metali RTD, miedź ma najbardziej liniową charakterystykę rezystancji i temperatury.

Opór vs. Charakterystyka temperaturowa niklu, Miedź, i Platinum RTDs.jpeg

Postać 2. Opór vs. Charakterystyka temperaturowa niklu, miedź, i platynowe czujniki RTD. Zdjęcie dzięki uprzejmości TE Connectivity

Złoto i srebro mają również stosunkowo niską rezystancję i są rzadko stosowane jako elementy BRT. Nikiel ma przewodność zbliżoną do platyny. Jak widać na rysunku 2, nikiel zapewnia zmianę oporu przy danej zmianie temperatury.

Jednakże, nikiel oferuje niższy zakres temperatur, większa nieliniowość, i większy długoterminowy dryft niż platyna. Dodatkowo, Odporność niklu różni się w zależności od partii. Z powodu tych ograniczeń, nikiel jest używany głównie w tanich zastosowaniach, takich jak produkty konsumenckie.

Typowe platynowe czujniki RTD to Pt100 i Pt1000. Nazwy te opisują rodzaj metalu użytego w konstrukcji czujnika (platyna lub pt) i opór nominalny przy 0 °C, co jest 100 Ω dla Pt100 i 1000 Ω dla typów Pt100 i Pt1000, odpowiednio. W przeszłości bardziej popularne były typy Pt100; Jednakże, obecnie panuje tendencja w kierunku czujników RTD o wyższej rezystancji, ponieważ wyższa rezystancja zapewnia większą czułość i rozdzielczość przy niewielkich lub żadnych dodatkowych kosztach. W czujnikach RTD wykonanych z miedzi i niklu stosuje się podobne konwencje nazewnictwa. Tabela 2 wymienia kilka popularnych typów.

Tabela 2. typy BRT, przybory, i zakresy temperatur. Dane dostarczone przez Analog Devices

Oprócz rodzaju użytego metalu, struktura mechaniczna czujnika RTD wpływa również na działanie czujnika. RTD można podzielić na dwa podstawowe typy: cienka folia i drut. Te dwa typy zostaną omówione w poniższych sekcjach.

Cienka folia vs. Drutowe czujniki RTD

Aby pogłębić naszą dyskusję na temat BRT, przyjrzyjmy się dwóm typom: cienka folia i drut.

Podstawy badań RTD cienkowarstwowych

Cienkowarstwowa struktura wyświetlacza RTD.jpeg

Strukturę typu cienkowarstwowego pokazano na rysunku 3(A).

Postać 3. Przykłady cienkowarstwowych czujników RTD, Gdzie (A) pokazuje strukturę i (B) pokazuje różne typy ogólne. Obraz (zmodyfikowany) dzięki uprzejmości Evosensors

W cienkiej folii RTD, cienka warstwa platyny osadza się na podłożu ceramicznym. Następnie następuje wyżarzanie i stabilizacja w bardzo wysokiej temperaturze, oraz cienką warstwę szkła ochronnego pokrywającą cały element. Obszar przycinania pokazany na rysunku 3(A) służy do dostosowania wyprodukowanej rezystancji do określonej wartości docelowej.

Cienkowarstwowe czujniki RTD opierają się na stosunkowo nowej technologii, która znacznie skraca czas montażu i koszty produkcji. W porównaniu do typu drutowego, które omówimy szczegółowo w następnej sekcji, Cienkowarstwowe czujniki RTD są bardziej odporne na uszkodzenia spowodowane wstrząsami i wibracjami. Dodatkowo, cienkowarstwowe czujniki RTD mogą pomieścić duże rezystancje na stosunkowo małym obszarze. Na przykład, A 1.6 mm o 2.6 mm czujnik zapewnia wystarczającą powierzchnię do wytworzenia rezystancji 1000 Oh. Ze względu na ich niewielki rozmiar, cienkowarstwowe czujniki RTD mogą szybko reagować na zmiany temperatury. Urządzenia te nadają się do wielu zastosowań ogólnego przeznaczenia. Wadami tego typu są stosunkowo słaba stabilność długoterminowa i wąski zakres temperatur.

Drutowe czujniki RTD

Budowa czujnika drutowego RTD

Postać 4. Omówienie budowy podstawowego czujnika drutowego RTD. Zdjęcie dzięki uprzejmości PR Electronics

Ten typ czujnika RTD wytwarza się poprzez nawinięcie kawałka platyny wokół rdzenia ceramicznego lub szklanego. Cały element jest zwykle zamknięty w ceramicznej lub szklanej rurce w celach ochronnych. Czujniki RTD z rdzeniem ceramicznym nadają się do pomiaru bardzo wysokich temperatur. Drutowe czujniki RTD są na ogół dokładniejsze niż typy cienkowarstwowe. Jednakże, są droższe i łatwiej ulegają uszkodzeniom w wyniku wibracji.

Aby zminimalizować naprężenia drutu platynowego, współczynnik rozszerzalności cieplnej materiału użytego w konstrukcji czujnika powinien odpowiadać współczynnikowi platyny. Identyczne współczynniki rozszerzalności cieplnej minimalizują zmiany rezystancji spowodowane długotrwałymi naprężeniami w elemencie RTD, poprawiając w ten sposób powtarzalność i stabilność czujnika.

BRT vs. Właściwości termopary

Na zakończenie tej rozmowy na temat czujników temperatury RTD, oto krótkie porównanie czujników RTD i termopar.

Termopara wytwarza napięcie proporcjonalne do różnicy temperatur pomiędzy jej dwoma złączami. Termopary są samozasilające i nie wymagają zewnętrznego wzbudzenia, podczas gdy pomiary temperatury oparte na czujnikach RTD wymagają prądu lub napięcia wzbudzenia. Wyjście termopary określa różnicę temperatur pomiędzy zimnym i gorącym złączem, dlatego w zastosowaniach termopar wymagana jest kompensacja zimnego złącza. Z drugiej strony, Kompensacja zimnego złącza nie jest wymagana w zastosowaniach RTD, co skutkuje prostszym systemem pomiarowym.

Termopary są zwykle stosowane w -184 ° C do 2300 Zakres °C, podczas gdy czujniki RTD mogą mierzyć od -200 ° C do +850 °C. Chociaż czujniki RTD są na ogół dokładniejsze niż termopary, są około dwa do trzech razy droższe niż termopary. Inną różnicą jest to, że czujniki RTD są bardziej liniowe niż termopary i wykazują doskonałą stabilność długoterminową. Z termoparami, zmiany chemiczne w materiale czujnika mogą zmniejszyć długoterminową stabilność i spowodować zmianę odczytu czujnika.