Vad är en RTD termisk resistor temperaturdetekteringssensor?

Motståndstemperaturdetektorer eller RTD:er kan vara enkla typer av temperatursensorer. Dessa enheter fungerar på principen att motståndet hos en metall förändras med temperaturen. Rena metaller har i allmänhet en positiv temperaturkoefficient för motstånd, vilket innebär att deras motstånd ökar när temperaturen ökar. RTD:er fungerar över ett brett temperaturområde av -200 ° C till +850 °C och erbjuder hög noggrannhet, utmärkt långsiktig stabilitet, och repeterbarhet.

MAX31865 RTD Platinum Resistens Temperaturdetektor PT100 & PT1000

RTD PT100 Temperatursändare DC24V minus 50 ~ 100 grad

RTD Pt100 temperatursensorsond för ugn

I den här artikeln, vi kommer att diskutera avvägningarna med att använda FoTU, metallerna som används i dem, de två typerna av FoTU, och hur RTD jämförs med termoelement.

Innan vi dyker in, låt oss ta en titt på ett exempel på applikationsdiagram för att bättre förstå FTU-grunderna.

Exempel på RTD-applikationsdiagram

RTD:er är passiva enheter som inte genererar en utsignal på egen hand. Figur 1 visar ett förenklat FoTU-tillämpningsdiagram.

Kretsdiagram för RTD-applikation Exempel.jpeg

Figur 1. Exempel på RTD-applikationsdiagram.

Excitationsströmmen I1 passerar genom sensorns temperaturberoende motstånd. Detta producerar en spänningssignal som är proportionell mot magnetiseringsströmmen och motståndet hos RTD:n. Spänningen över RTD:n förstärks sedan och skickas till en ADC (analog-till-digital-omvandlare) för att producera en digital utgångskod som kan användas för att beräkna RTD-temperaturen.

Avvägningar med att använda RTD-sensorer – Fördelar och nackdelar med RTD-sensorer

Innan vi dyker in, det är viktigt att notera att detaljerna om RTD-signalkonditionering kommer att behandlas i en framtida artikel. För denna artikel, Jag vill lyfta fram några grundläggande kompromisser vid användning av RTD-kretsar.

Första, Observera att excitationsströmmen vanligtvis är begränsad till ca 1 mA för att minimera självuppvärmningseffekter. När excitationsströmmen flyter genom RTD, den genererar I2R- eller Joule-uppvärmning. Självuppvärmningseffekter kan höja sensortemperaturen till värden över den omgivande temperatur som faktiskt mäts. Att minska excitationsströmmen kan minska självuppvärmningseffekten. Det är också värt att nämna att självuppvärmningseffekten beror på det medium som RTD:n är nedsänkt i. Till exempel, en RTD placerad i stillastående luft kan uppleva mer betydande självuppvärmningseffekter än en RTD nedsänkt i strömmande vatten.

För en given detekterbar temperaturförändring, förändringen i RTD-spänningen bör vara tillräckligt stor för att övervinna systembrus såväl som offset och drift av olika systemparametrar. Eftersom självuppvärmning begränsar excitationsströmmen, vi måste använda en RTD med tillräckligt stort motstånd, genererar således en stor spänning för nedströmssignalbehandlingsblocket. Medan ett stort RTD-motstånd är önskvärt för att minska mätfel, vi kan inte godtyckligt öka motståndet eftersom ett större RTD-motstånd resulterar i en långsammare svarstid.

FoTU-metaller: Skillnader mellan platina, Guld, och koppar RTD

I teorin, alla typer av metall kan användas för att konstruera en RTD. Den första RTD som uppfanns av CW Siemens i 1860 använde en koppartråd. Dock, Siemens upptäckte snart att platina RTD gav mer exakta resultat över ett bredare temperaturområde.

I dag, platina RTD är de mest använda temperatursensorerna för precisionstemperaturmätning. Platina har ett linjärt förhållande mellan motstånd och temperatur och är mycket repeterbart över ett stort temperaturområde. Dessutom, platina reagerar inte med de flesta förorenande gaser i luften.

Förutom platina, två andra vanliga FoTU-material är nickel och koppar. Tabell 1 ger temperaturkoefficienterna och den relativa ledningsförmågan för vissa vanliga RTD-metaller.

Högtemp Pt100 platina termisk motståndssensor explosionssäker

WZP-130 231 Rostfritt stål platina motstånd PT100 temperatursensor

Termiskt motstånd pt100 temperaturgivare för lager

Tabell 1. Temperaturkoefficienter och relativ ledningsförmåga för vanliga RTD-metaller. Data tillhandahålls av BAPI

I föregående avsnitt, vi diskuterade hur större RTD-resistans kan minska mätfel. Koppar har en högre ledningsförmåga (eller motsvarande, lägre motstånd) än platina och nickel. För en given sensorstorlek och exciteringsström, en koppar-RTD kan producera en relativt liten spänning. Därför, koppar RTD kan vara mer utmanande att mäta små temperaturförändringar. Dessutom, koppar oxiderar vid högre temperaturer, så mätområdet är också begränsat till -200 till +260 °C. Trots dessa begränsningar, koppar används fortfarande i vissa applikationer på grund av dess linjäritet och låga kostnad. Som visas i figur 2 nedan, av de tre vanliga FoTU-metallerna, koppar har den mest linjära resistans-temperaturkaraktäristiken.

Motstånd vs. Nickels temperaturegenskaper, Koppar, och Platinum RTDs.jpeg

Figur 2. Motstånd vs. temperaturegenskaper hos nickel, koppar, och platina RTD. Bild med tillstånd av TE Connectivity

Guld och silver har också relativt låg resistans och används sällan som RTD-element. Nickel har en konduktivitet nära platinas. Som kan ses i figur 2, nickel ger en förändring i motståndet för en given temperaturförändring.

Dock, nickel ger ett lägre temperaturområde, större olinjäritet, och större långsiktig drift än platina. Dessutom, Nickels motstånd varierar från batch till batch. På grund av dessa begränsningar, nickel används främst i lågkostnadsapplikationer som konsumentprodukter.

Vanliga platina RTD:er är Pt100 och Pt1000. Dessa namn beskriver den typ av metall som används i sensorns konstruktion (platina eller Pt) och det nominella motståndet vid 0 °C, vilket är 100 Ω för Pt100 och 1000 Ω för Pt100 och Pt1000 typer, respektive. Pt100-typer var mer populära förr; dock, idag går trenden mot högre motståndskraftiga RTD:er, eftersom högre motstånd ger större känslighet och upplösning till liten eller ingen extra kostnad. RTD:er gjorda av koppar och nickel använder liknande namnkonventioner. Tabell 2 listar några vanliga typer.

Tabell 2. FoTU-typer, material, och temperaturområden. Data tillhandahålls av analoga enheter

Förutom den typ av metall som används, RTD:ns mekaniska struktur påverkar också sensorprestanda. FoTU:er kan delas in i två grundläggande typer: tunn film och trådlindad. Dessa två typer kommer att diskuteras i följande avsnitt.

Tunn film vs. Trådlindade RTD:er

För att främja vår diskussion om FoTU, låt oss utforska två typer: tunn film och trådlindad.

Grunderna för RTD för tunn film

Tunnfilm RTD Display Structure.jpeg

Strukturen för den tunnfilmstypen visas i figuren 3(a).

Figur 3. Exempel på tunnfilms-RTD, där (a) visar strukturen och (b) visar de olika övergripande typerna. Bild (ändrad) med tillstånd av Evosensors

I en tunn film RTD, ett tunt lager av platina avsätts på ett keramiskt underlag. Detta följs av mycket hög temperatur glödgning och stabilisering, och ett tunt skyddande glasskikt som täcker hela elementet. Trimningsområdet som visas i figur 3(a) används för att justera det tillverkade motståndet till ett specificerat målvärde.

Tunnfilms-RTD:er är beroende av relativt ny teknik som avsevärt minskar monteringstiden och produktionskostnaderna. Jämfört med den trådlindade typen, som vi kommer att utforska på djupet i nästa avsnitt, RTD:er med tunn film är mer motståndskraftiga mot skador från stötar eller vibrationer. Dessutom, tunnfilms-RTD:er kan ta emot stora motstånd på en relativt liten yta. Till exempel, a 1.6 mm av 2.6 mm sensor ger tillräckligt med yta för att producera ett motstånd på 1000 Åh. På grund av deras ringa storlek, tunnfilms-RTD:er kan reagera snabbt på temperaturförändringar. Dessa enheter är lämpliga för många allmänna applikationer. Nackdelarna med denna typ är relativt dålig långtidsstabilitet och ett smalt temperaturområde.

Trådlindade RTD:er

Konstruktion av en trådlindad RTD

Figur 4. Översikt över konstruktionen av en grundläggande trådlindad RTD. Bild med tillstånd av PR Electronics

Denna typ av RTD görs genom att linda en längd av platina runt en kärna av keramik eller glas. Hela elementet är vanligtvis inkapslat i ett keramik- eller glasrör för skyddsändamål. RTD:er med keramiska kärnor är lämpliga för att mäta mycket höga temperaturer. Trådlindade RTD:er är i allmänhet mer exakta än tunnfilmstyper. Dock, de är dyrare och skadas lättare av vibrationer.

För att minimera eventuell belastning på platinatråden, den termiska expansionskoefficienten för materialet som används i sensorkonstruktionen bör matcha platina. Identiska värmeutvidgningskoefficienter minimerar motståndsförändringar orsakade av långvarig stress i RTD-elementet, vilket förbättrar sensorns repeterbarhet och stabilitet.

RTD vs. Termoelementegenskaper

För att avsluta det här samtalet om RTD-temperatursensorer, här är en kort jämförelse mellan RTD och termoelementsensorer.

Ett termoelement producerar en spänning som är proportionell mot temperaturskillnaden mellan dess två korsningar. Termoelement är självförsörjande och kräver ingen extern excitation, medan RTD-baserade temperaturmätningar kräver en excitationsström eller -spänning. Termoelementutgången anger temperaturskillnaden mellan de kalla och varma korsningarna, så kallövergångskompensation krävs i termoelementapplikationer. Å andra sidan, Cold junction-kompensation krävs inte för RTD-tillämpningar, vilket resulterar i ett enklare mätsystem.

Termoelement används vanligtvis i -184 ° C till 2300 °C intervall, medan FoTU:er kan mäta från -200 ° C till +850 °C. Även om RTD:er i allmänhet är mer exakta än termoelement, de är ungefär två till tre gånger dyrare än termoelement. En annan skillnad är att RTD:er är mer linjära än termoelement och uppvisar överlägsen långsiktig stabilitet. Med termoelement, kemiska förändringar i sensormaterialet kan minska långtidsstabiliteten och göra att sensoravläsningen glider.