Kaj je senzor za zaznavanje temperature termičnega upora RTD?

Upornostni temperaturni detektorji ali RTD so lahko preproste vrste temperaturnih senzorjev. Te naprave delujejo na principu, da se odpornost kovine spreminja s temperaturo. Čiste kovine imajo na splošno pozitiven temperaturni koeficient upora, kar pomeni, da se njihova odpornost povečuje z naraščanjem temperature. RTD delujejo v širokem temperaturnem območju -200 ° C do +850 °C in nudi visoko natančnost, odlična dolgoročna stabilnost, in ponovljivost.

MAX31865 RTD platinasti uporovni temperaturni detektor PT100 & PT1000

RTD PT100 temperaturni oddajnik DC24V minus 50 ~ 100 stopnja

RTD Pt100 senzor temperature za pečico

V tem članku, razpravljali bomo o kompromisih uporabe RTD, kovine, uporabljene v njih, dve vrsti RTD, in kakšna je primerjava RTD s termočleni.

Preden se potopimo, Oglejmo si primer diagrama uporabe, da bomo bolje razumeli osnove RTD.

Primer diagrama uporabe RTD

RTD so pasivne naprave, ki same ne ustvarjajo izhodnega signala. Slika 1 prikazuje poenostavljen diagram uporabe RTD.

Shema vezja za aplikacijo RTD Primer.jpeg

Slika 1. Primer diagrama uporabe RTD.

Vzbujevalni tok I1 prehaja skozi temperaturno odvisen upor senzorja. To ustvari napetostni signal, ki je sorazmeren z vzbujalnim tokom in uporom RTD. Napetost na RTD se nato ojača in pošlje v ADC (analogno-digitalni pretvornik) za izdelavo digitalne izhodne kode, ki se lahko uporabi za izračun temperature RTD.

Kompromisi pri uporabi senzorjev RTD – prednosti in slabosti senzorjev RTD

Preden se potopimo, pomembno je omeniti, da bodo podrobnosti o kondicioniranju signala RTD obravnavane v prihodnjem članku. Za ta članek, Poudariti želim nekaj osnovnih kompromisov pri uporabi vezij RTD.

Najprej, upoštevajte, da je vzbujevalni tok običajno omejen na okoli 1 mA za zmanjšanje učinkov samosegrevanja. Ko vzbujevalni tok teče skozi RTD, ustvarja I2R ali Joule segrevanje. Učinki samosegrevanja lahko dvignejo temperaturo tipala na vrednosti nad temperaturo okolja, ki se dejansko meri. Zmanjšanje vzbujalnega toka lahko zmanjša učinek samosegrevanja. Omeniti velja tudi, da je učinek samosegrevanja odvisen od medija, v katerega je RTD potopljen. Na primer, RTD, nameščen v mirnem zraku, ima lahko pomembnejše učinke samosegrevanja kot RTD, potopljen v tekočo vodo.

Za dano zaznavno spremembo temperature, sprememba napetosti RTD mora biti dovolj velika, da premaga sistemski šum ter odmike in odmike različnih sistemskih parametrov. Ker samosegrevanje omejuje vzbujalni tok, moramo uporabiti RTD z dovolj velikim uporom, tako ustvarja visoko napetost za blok za obdelavo signala navzdol. Medtem ko je velik upor RTD zaželen za zmanjšanje merilnih napak, upora ne moremo poljubno povečati, ker večji upor RTD povzroči počasnejši odzivni čas.

RTD kovine: Razlike med platino, zlato, in bakrene RTD

V teoriji, za izdelavo RTD je mogoče uporabiti katero koli vrsto kovine. Prvi RTD, ki ga je izumil CW Siemens leta 1860 uporabil bakreno žico. Vendar, Siemens je kmalu ugotovil, da platinasti RTD dajejo natančnejše rezultate v širšem temperaturnem območju.

Danes, platinasti RTD so najpogosteje uporabljeni temperaturni senzorji za natančno merjenje temperature. Platina ima linearno razmerje med uporom in temperaturo in je zelo ponovljiva v širokem temperaturnem območju. Poleg tega, platina ne reagira z večino plinov, ki onesnažujejo zrak.

Poleg platine, dva druga pogosta materiala RTD sta nikelj in baker. Miza 1 zagotavlja temperaturne koeficiente in relativno prevodnost nekaterih pogostih kovin RTD.

Visokotemperaturni senzor toplotne odpornosti Pt100, odporen proti eksploziji

WZP-130 231 Temperaturni senzor PT100, odporen na platino iz nerjavečega jekla

Temperaturni senzor termičnega upora pt100 za ležaje

Miza 1. Temperaturni koeficienti in relativna prevodnost običajnih kovin RTD. Podatke posreduje BAPI

V prejšnjem razdelku, razpravljali smo o tem, kako lahko večji upor RTD zmanjša merilne napake. Baker ima večjo prevodnost (ali enakovredno, manjši upor) kot platina in nikelj. Za dano velikost senzorja in vzbujalni tok, bakreni RTD lahko proizvede razmeroma majhno napetost. Zato, bakreni RTD-ji so lahko večji izziv za merjenje majhnih temperaturnih sprememb. Poleg tega, baker pri višjih temperaturah oksidira, tako je tudi merilno območje omejeno na -200 do +260 °C. Kljub tem omejitvam, baker se še vedno uporablja v nekaterih aplikacijah zaradi svoje linearnosti in nizkih stroškov. Kot je prikazano na sliki 2 spodaj, treh pogostih kovin RTD, baker ima najbolj linearno karakteristiko upor-temperatura.

Odpor vs. Temperaturne značilnosti niklja, Baker, in platinasti RTDs.jpeg

Slika 2. Odpor vs. temperaturne lastnosti niklja, baker, in platinasti RTD. Slika z dovoljenjem TE Connectivity

Zlato in srebro imata tudi relativno nizko odpornost in se redko uporabljata kot elementi RTD. Nikelj ima prevodnost, ki je blizu prevodnosti platine. Kot je razvidno iz slike 2, nikelj nudi spremembo odpornosti za določeno spremembo temperature.

Vendar, nikelj ponuja nižje temperaturno območje, večja nelinearnost, in večji dolgoročni odmik kot platina. Dodatno, odpornost niklja se razlikuje od serije do serije. Zaradi teh omejitev, nikelj se uporablja predvsem v nizkocenovnih aplikacijah, kot so potrošniški izdelki.

Običajni platinasti RTD-ji so Pt100 in Pt1000. Ta imena opisujejo vrsto kovine, uporabljene v konstrukciji senzorja (platina ali Pt) in nazivni upor pri 0 °C, ki je 100 Ω za Pt100 in 1000 Ω za tipa Pt100 in Pt1000, oz. Tipi Pt100 so bili v preteklosti bolj priljubljeni; vendar, danes je trend k RTD-jem z večjim uporom, saj večja odpornost zagotavlja večjo občutljivost in ločljivost z malo ali nič dodatnih stroškov. RTD, izdelani iz bakra in niklja, uporabljajo podobna pravila poimenovanja. Miza 2 navaja nekaj pogostih vrst.

Miza 2. vrste RTD, materialov, in temperaturna območja. Podatke zagotavlja Analog Devices

Poleg vrste uporabljene kovine, mehanska struktura RTD vpliva tudi na delovanje senzorja. RTD lahko razdelimo na dve osnovni vrsti: tankoplastni in žični. O teh dveh vrstah bomo razpravljali v naslednjih razdelkih.

Tanek film vs. Žični RTD-ji

Za nadaljevanje naše razprave o RTR, raziščimo dve vrsti: tankoplastni in žični.

Osnove RTD tankega filma

Thin Film RTD Display Structure.jpeg

Struktura vrste tankega filma je prikazana na sliki 3(a).

Slika 3. Primeri tankoslojnih RTD, kjer (a) prikazuje strukturo in (b) prikazuje različne splošne vrste. Slika (spremenjeno) z dovoljenjem Evosensors

V tankem filmu RTD, na keramično podlago se nanese tanek sloj platine. Sledi zelo visokotemperaturno žarjenje in stabilizacija, in tanek zaščitni stekleni sloj, ki pokriva celoten element. Območje obrezovanja, prikazano na sliki 3(a) se uporablja za prilagoditev proizvedenega upora na določeno ciljno vrednost.

Tankoplastni RTD temeljijo na razmeroma novi tehnologiji, ki bistveno zmanjša čas sestavljanja in proizvodne stroške. V primerjavi z žično navito vrsto, ki jih bomo podrobneje raziskali v naslednjem razdelku, tankoslojni RTD so bolj odporni na poškodbe zaradi udarcev ali vibracij. Dodatno, tankoslojni RTD lahko sprejmejo velike upore na relativno majhnem območju. Na primer, a 1.6 mm za 2.6 mm senzor zagotavlja dovolj površine za ustvarjanje upora 1000 Oh. Zaradi svoje majhnosti, tankoslojni RTD se lahko hitro odzovejo na temperaturne spremembe. Te naprave so primerne za številne splošne namene. Slabosti te vrste so relativno slaba dolgoročna stabilnost in ozko temperaturno območje.

Žični RTD-ji

Konstrukcija žične RTD

Slika 4. Pregled konstrukcije osnovnega žičnega RTD. Slika z dovoljenjem PR Electronics

Ta vrsta RTD je izdelana z navijanjem platine okoli keramičnega ali steklenega jedra. Celoten element je običajno zaprt v keramični ali stekleni cevi zaradi zaščite. RTD s keramičnimi jedri so primerni za merjenje zelo visokih temperatur. Žični RTD-ji so na splošno natančnejši od tankoslojnih. Vendar, so dražji in jih tresljaji lažje poškodujejo.

Za čim manjšo obremenitev platinaste žice, koeficient toplotne razteznosti materiala, uporabljenega v konstrukciji senzorja, se mora ujemati s koeficientom platine. Enaki koeficienti toplotnega raztezanja zmanjšajo spremembe upora, ki jih povzroči dolgotrajna obremenitev v elementu RTD, tako izboljša ponovljivost in stabilnost senzorja.

RTD vs. Lastnosti termoelementa

Za zaključek tega pogovora o temperaturnih senzorjih RTD, tukaj je kratka primerjava med senzorji RTD in termočleni.

Termočlen proizvaja napetost, ki je sorazmerna temperaturni razliki med njegovima stičiščema. Termoelementi se napajajo sami in ne potrebujejo zunanjega vzbujanja, medtem ko meritve temperature na osnovi RTD zahtevajo vzbujevalni tok ali napetost. Izhod termočlena določa temperaturno razliko med hladnim in vročim spojem, zato je v aplikacijah s termočleni potrebna kompenzacija hladnega spoja. Na drugi strani, kompenzacija hladnega spoja ni potrebna za aplikacije RTD, kar ima za posledico enostavnejši sistem merjenja.

Termoelementi se običajno uporabljajo v -184 ° C do 2300 območje °C, medtem ko lahko RTD merijo od -200 ° C do +850 °C. Čeprav so RTD na splošno natančnejši od termočlenov, so približno dva do trikrat dražji od termočlenov. Druga razlika je v tem, da so RTD bolj linearni kot termočleni in kažejo večjo dolgoročno stabilnost.. S termočleni, kemične spremembe v materialu senzorja lahko zmanjšajo dolgoročno stabilnost in povzročijo zamik odčitka senzorja.