Čo je snímač teploty tepelného odporu RTD?

Odporové teplotné detektory alebo RTD môžu byť jednoduché typy teplotných snímačov. Tieto zariadenia fungujú na princípe, že odpor kovu sa mení s teplotou. Čisté kovy majú vo všeobecnosti kladný teplotný koeficient odporu, čo znamená, že ich odpor sa zvyšuje so zvyšujúcou sa teplotou. RTD pracujú v širokom rozsahu teplôt -200 °C až +850 °C a ponúkajú vysokú presnosť, vynikajúca dlhodobá stabilita, a opakovateľnosť.

MAX31865 RTD platinový odporový teplotný detektor PT100 & PT1000

RTD PT100 Prevodník teploty DC24V mínus 50 ~ 100 stupňa

RTD Pt100 snímač teploty pre rúru

V tomto článku, budeme diskutovať o kompromisoch používania RTD, kovy v nich použité, dva typy RTD, a ako sa RTD porovnávajú s termočlánkami.

Predtým, ako sa ponoríme, pozrime sa na príklad schémy aplikácie, aby sme lepšie pochopili základy RTD.

Príklad aplikačného diagramu RTD

RTD sú pasívne zariadenia, ktoré samy negenerujú výstupný signál. Obrázok 1 ukazuje zjednodušený diagram aplikácie RTD.

Schéma zapojenia pre príklad aplikácie RTD.jpeg

Obrázok 1. Príklad aplikačného diagramu RTD.

Budiaci prúd I1 prechádza cez teplotne závislý odpor snímača. To vytvára napäťový signál, ktorý je úmerný budiacemu prúdu a odporu RTD. Napätie na RTD je potom zosilnené a odoslané do ADC (analógovo-digitálny prevodník) na vytvorenie digitálneho výstupného kódu, ktorý možno použiť na výpočet teploty RTD.

Kompromisy používania RTD snímačov – Výhody a nevýhody RTD snímačov

Predtým, ako sa ponoríme, je dôležité poznamenať, že podrobnosti o úprave signálu RTD budú zahrnuté v budúcom článku. Pre tento článok, Chcem zdôrazniť niektoré základné kompromisy pri používaní obvodov RTD.

Po prvé, Všimnite si, že budiaci prúd je zvyčajne obmedzený na približne 1 mA, aby sa minimalizovali účinky samovoľného zahrievania. Keď budiaci prúd preteká cez RTD, generuje ohrev I2R alebo Joule. Samozahrievacie efekty môžu zvýšiť teplotu senzora na hodnoty nad okolitú teplotu, ktorá sa práve meria. Zníženie budiaceho prúdu môže znížiť samoohrievací účinok. Za zmienku tiež stojí, že efekt samoohrievania závisí od média, v ktorom je RTD ponorený. Napríklad, RTD umiestnený v pokojnom vzduchu môže mať výraznejší samoohrev než RTD ponorený do tečúcej vody.

Pre danú zistiteľnú zmenu teploty, zmena napätia RTD by mala byť dostatočne veľká, aby prekonala systémový šum, ako aj posuny a posuny rôznych parametrov systému. Pretože samozohrievanie obmedzuje budiaci prúd, musíme použiť RTD s dostatočne veľkým odporom, čím sa generuje veľké napätie pre blok spracovania signálu po prúde. Zatiaľ čo veľký odpor RTD je žiaduci na zníženie chýb merania, nemôžeme svojvoľne zvýšiť odpor, pretože väčší odpor RTD má za následok pomalší čas odozvy.

RTD kovy: Rozdiely medzi platinou, Zlato, a medené RTD

Teoreticky, na konštrukciu RTD možno použiť akýkoľvek druh kovu. Prvý RTD vynájdený CW Siemens v r 1860 použil medený drôt. Však, Siemens čoskoro zistil, že platinové RTD poskytujú presnejšie výsledky v širšom teplotnom rozsahu.

Dnes, platinové RTD sú najpoužívanejšie snímače teploty na presné meranie teploty. Platina má lineárny vzťah medzi odporom a teplotou a je vysoko opakovateľná v širokom rozsahu teplôt. Navyše, platina nereaguje s väčšinou znečisťujúcich plynov vo vzduchu.

Okrem platiny, dva ďalšie bežné materiály RTD sú nikel a meď. Tabuľka 1 poskytuje teplotné koeficienty a relatívnu vodivosť niektorých bežných RTD kovov.

Vysokoteplotný platinový snímač tepelného odporu Pt100 odolný proti výbuchu

WZP-130 231 Nerezový platinový odporový snímač teploty PT100

Tepelný odporový snímač teploty pt100 pre ložiská

Tabuľka 1. Teplotné koeficienty a relatívna vodivosť bežných RTD kovov. Údaje poskytuje BAPI

V predchádzajúcej časti, diskutovali sme o tom, ako väčší odpor RTD môže znížiť chyby merania. Meď má vyššiu vodivosť (alebo ekvivalentne, nižší odpor) ako platina a nikel. Pre danú veľkosť snímača a budiaci prúd, medený RTD môže produkovať relatívne malé napätie. Preto, medené RTD môžu byť náročnejšie na meranie malých teplotných zmien. Navyše, meď pri vyšších teplotách oxiduje, takže rozsah merania je tiež obmedzený na -200 do +260 ° C. Napriek týmto obmedzeniam, meď sa stále používa v niektorých aplikáciách kvôli svojej linearite a nízkej cene. Ako je znázornené na obr 2 nižšie, z troch bežných RTD kovov, meď má najlineárnejšiu odporovo-teplotnú charakteristiku.

Odpor vs. Teplotné charakteristiky niklu, Meď, a platinové RTD.jpeg

Obrázok 2. Odpor vs. teplotné charakteristiky niklu, meď, a platinové RTD. Obrázok s láskavým dovolením TE Connectivity

Zlato a striebro majú tiež relatívne nízky odpor a ako prvky RTD sa používajú len zriedka. Nikel má vodivosť blízku vodivosti platiny. Ako je možné vidieť na obrázku 2, nikel ponúka zmenu odporu pri danej zmene teploty.

Však, nikel ponúka nižší teplotný rozsah, väčšia nelinearita, a väčší dlhodobý drift ako platina. Okrem toho, Odolnosť niklu sa líši od šarže k šarži. Kvôli týmto obmedzeniam, nikel sa používa predovšetkým v lacných aplikáciách, ako sú spotrebné výrobky.

Bežné platinové RTD sú Pt100 a Pt1000. Tieto názvy popisujú typ kovu použitého v konštrukcii snímača (platina alebo Pt) a nominálny odpor pri 0 ° C, čo je 100 Ω pre Pt100 a 1000 Ω pre typy Pt100 a Pt1000, respektíve. Typy Pt100 boli v minulosti populárnejšie; však, dnes je trend smerom k RTD s vyšším odporom, pretože vyšší odpor poskytuje vyššiu citlivosť a rozlíšenie pri malých alebo žiadnych dodatočných nákladoch. RTD vyrobené z medi a niklu používajú podobné konvencie pomenovania. Tabuľka 2 uvádza niektoré bežné typy.

Tabuľka 2. Typy RTD, materiálov, a teplotné rozsahy. Údaje poskytnuté spoločnosťou Analog Devices

Okrem druhu použitého kovu, mechanická štruktúra RTD tiež ovplyvňuje výkon snímača. RTD možno rozdeliť na dva základné typy: tenkého filmu a drôtu. O týchto dvoch typoch sa bude diskutovať v nasledujúcich častiach.

Tenký film vs. Drôtové RTD

Aby sme podporili našu diskusiu o RTD, preskúmajme dva typy: tenkého filmu a drôtu.

Základy RTD tenkých vrstiev

Thin Film RTD Display Structure.jpeg

Štruktúra typu tenkého filmu je znázornená na obrázku 3(a).

Obrázok 3. Príklady tenkovrstvových RTD, kde (a) ukazuje štruktúru a (b) ukazuje rôzne celkové typy. Obrázok (upravené) s láskavým dovolením spoločnosti Evosensors

V tenkom filme RTD, tenká vrstva platiny je nanesená na keramickom substráte. Nasleduje žíhanie a stabilizácia pri veľmi vysokej teplote, a tenká ochranná sklenená vrstva pokrývajúca celý prvok. Oblasť orezania znázornená na obrázku 3(a) sa používa na úpravu vyrobeného odporu na špecifikovanú cieľovú hodnotu.

Tenkovrstvové RTD sa spoliehajú na relatívne novú technológiu, ktorá výrazne znižuje čas montáže a výrobné náklady. V porovnaní s drôtovým typom, ktoré podrobnejšie preskúmame v ďalšej časti, tenkovrstvové RTD sú odolnejšie voči poškodeniu otrasmi alebo vibráciami. Okrem toho, tenkovrstvové RTD dokážu prispôsobiť veľké odpory na relatívne malej ploche. Napríklad, a 1.6 mm o 2.6 mm senzor poskytuje dostatočnú plochu na vytvorenie odporu 1000 Oh. Kvôli ich malým rozmerom, tenkovrstvové RTD môžu rýchlo reagovať na zmeny teploty. Tieto zariadenia sú vhodné pre mnoho všeobecných aplikácií. Nevýhodou tohto typu je pomerne zlá dlhodobá stabilita a úzky teplotný rozsah.

Drôtové RTD

Konštrukcia drôtového RTD

Obrázok 4. Prehľad konštrukcie základného drôtového RTD. Obrázok s láskavým dovolením PR Electronics

Tento typ RTD sa vyrába navinutím platiny okolo keramického alebo skleneného jadra. Celý prvok je zvyčajne zapuzdrený v keramickej alebo sklenenej trubici na účely ochrany. RTD s keramickým jadrom sú vhodné na meranie veľmi vysokých teplôt. Drôtové RTD sú vo všeobecnosti presnejšie ako tenkovrstvové typy. Však, sú drahšie a ľahšie sa poškodia vibráciami.

Aby sa minimalizovalo akékoľvek namáhanie platinového drôtu, koeficient tepelnej rozťažnosti materiálu použitého v konštrukcii snímača by mal zodpovedať koeficientu platiny. Identické koeficienty tepelnej rozťažnosti minimalizujú zmeny odporu spôsobené dlhodobým namáhaním prvku RTD, čím sa zlepšuje opakovateľnosť a stabilita snímača.

RTD vs. Vlastnosti termočlánkov

Aby som uzavrel túto konverzáciu o snímačoch teploty RTD, tu je krátke porovnanie medzi RTD a termočlánkovými snímačmi.

Termočlánok vytvára napätie, ktoré je úmerné teplotnému rozdielu medzi jeho dvoma spojmi. Termočlánky sú samonapájacie a nevyžadujú externé budenie, zatiaľ čo merania teploty založené na RTD vyžadujú budiaci prúd alebo napätie. Výstup termočlánku udáva teplotný rozdiel medzi studenými a horúcimi spojmi, takže v aplikáciách termočlánkov je potrebná kompenzácia studených spojov. Na druhej strane, kompenzácia studeného konca nie je potrebná pre aplikácie RTD, výsledkom je jednoduchší systém merania.

Termočlánky sa zvyčajne používajú v -184 °C až 2300 rozsah °C, zatiaľ čo RTD môžu merať od -200 °C až +850 ° C. Hoci RTD sú vo všeobecnosti presnejšie ako termočlánky, sú približne dva až trikrát drahšie ako termočlánky. Ďalším rozdielom je, že RTD sú lineárnejšie ako termočlánky a vykazujú vynikajúcu dlhodobú stabilitu. S termočlánkami, chemické zmeny v materiáli snímača môžu znížiť dlhodobú stabilitu a spôsobiť posun čítania snímača.