Що таке датчик температури терморезистора RTD?

Резистивні датчики температури або RTD можуть бути простими типами датчиків температури. Принцип роботи цих пристроїв полягає в тому, що опір металу змінюється залежно від температури. Чисті метали, як правило, мають позитивний температурний коефіцієнт опору, це означає, що їх опір зростає зі збільшенням температури. RTD працюють у широкому діапазоні температур -200 °C до +850 °C і забезпечують високу точність, відмінна довгострокова стабільність, і повторюваність.

MAX31865 RTD платиновий температурний детектор опору PT100 & PT1000

RTD PT100 Перетворювач температури DC24V Мінус 50 ~ 100 ступінь

RTD Pt100 Датчик температури для духовки

У цій статті, ми обговоримо компроміси використання RTD, використовувані в них метали, два типи RTD, і як RTD порівнюють з термопарами.

Перш ніж зануритися, Давайте поглянемо на приклад схеми застосування, щоб краще зрозуміти основи RTD.

Приклад схеми застосування RTD

RTD є пасивними пристроями, які самостійно не генерують вихідний сигнал. малюнок 1 показує спрощену схему застосування RTD.

Принципова схема для прикладної програми RTD.jpeg

малюнок 1. Приклад схеми застосування RTD.

Струм збудження I1 проходить через залежний від температури опір датчика. Це створює сигнал напруги, пропорційний струму збудження та опору RTD. Потім напруга на резистивному датчику температури посилюється і надсилається на АЦП (аналого-цифровий перетворювач) для створення цифрового вихідного коду, який можна використовувати для розрахунку температури RTD.

Компроміси використання датчиків RTD – переваги та недоліки датчиків RTD

Перш ніж зануритися, важливо відзначити, що деталі формування сигналу RTD будуть розглянуті в наступній статті. Для цієї статті, Я хочу висвітлити деякі основні компроміси при використанні схем RTD.

перше, зауважте, що струм збудження зазвичай обмежується приблизно 1 мА для мінімізації ефекту самонагрівання. Коли струм збудження протікає через RTD, він генерує I2R або джоулев нагрів. Ефекти самонагрівання можуть підняти температуру датчика до значень, вищих за температуру навколишнього середовища, яка фактично вимірюється. Зменшення струму збудження може зменшити ефект самонагрівання. Варто також зазначити, що ефект самонагрівання залежить від середовища, в яке занурений RTD. Наприклад, RTD, розміщений у нерухомому повітрі, може відчувати більш значний ефект самонагрівання, ніж RTD, занурений у проточну воду.

Для заданої зміни температури, яку можна виявити, зміна напруги RTD повинна бути достатньо великою, щоб подолати системний шум, а також зсуви та дрейфи різних параметрів системи. Оскільки самонагрівання обмежує струм збудження, нам потрібно використовувати RTD з досить великим опором, таким чином генеруючи високу напругу для блоку обробки сигналу нижче за течією. У той час як великий опір RTD бажаний для зменшення похибок вимірювань, ми не можемо довільно збільшити опір, оскільки більший опір RTD призводить до меншого часу відгуку.

RTD Метали: Відмінності між платиною, золото, і мідні RTD

В теорії, будь-який вид металу може бути використаний для побудови RTD. Перший RTD, винайдений CW Siemens у 1860 використав мідний дріт. Проте, Незабаром Siemens виявив, що платинові термометри RTD дають більш точні результати в більш широкому діапазоні температур.

Сьогодні, платинові RTD є найбільш широко використовуваними датчиками температури для точного вимірювання температури. Платина має лінійну залежність опору від температури і добре повторюється у широкому діапазоні температур. Крім того, платина не реагує з більшістю забруднюючих газів у повітрі.

Крім платини, двома іншими поширеними матеріалами RTD є нікель і мідь. Таблиця 1 надає температурні коефіцієнти та відносну провідність деяких поширених металів RTD.

Вибухозахищений високотемпературний платиновий термічний датчик Pt100

WZP-130 231 Платиновий датчик температури PT100 з нержавіючої сталі

Датчик температури терморезистор pt100 для підшипників

Таблиця 1. Температурні коефіцієнти та відносна провідність звичайних металів RTD. Дані надані BAPI

У попередньому розділі, ми обговорювали, як більший опір RTD може зменшити помилки вимірювання. Мідь має більш високу електропровідність (або еквівалентно, менший опір) ніж платина і нікель. Для заданого розміру датчика та струму збудження, мідний RTD може виробляти відносно невелику напругу. Отже, мідні RTD можуть бути більш складними для вимірювання невеликих змін температури. Крім того, мідь окислюється при більш високих температурах, тому діапазон вимірювання також обмежений -200 до +260 °C. Незважаючи на ці обмеження, мідь все ще використовується в деяких додатках через її лінійність і низьку вартість. Як показано на малюнку 2 нижче, з трьох поширених металів RTD, мідь має найбільш лінійну характеристику опору-температури.

Опір проти. Температурні характеристики нікелю, Мідь, і Platinum RTDs.jpeg

малюнок 2. Опір проти. температурні характеристики нікелю, мідь, і платинові RTD. Зображення надано TE Connectivity

Золото і срібло також мають відносно низький опір і рідко використовуються як елементи RTD. Нікель має провідність, близьку до платини. Як видно на рис 2, нікель забезпечує зміну опору при певній зміні температури.

Проте, нікель пропонує нижчий діапазон температур, більша нелінійність, і більший довгостроковий дрейф, ніж платина. Додатково, стійкість нікелю змінюється від партії до партії. Через ці обмеження, Нікель використовується в основному в недорогих додатках, таких як споживчі товари.

Поширені платинові RTD - Pt100 і Pt1000. Ці назви описують тип металу, який використовується в конструкції датчика (платина або Pt) і номінальний опір при 0 °C, який є 100 Ω для Pt100 і 1000 Ω для типів Pt100 і Pt1000, відповідно. Типи Pt100 були більш популярні в минулому; проте, сьогодні тенденція полягає в більш високому опорі RTD, оскільки вищий опір забезпечує більшу чутливість і роздільну здатність за невеликих додаткових витрат або без них. RTD, виготовлені з міді та нікелю, використовують подібні угоди про найменування. Таблиця 2 перелічує деякі поширені типи.

Таблиця 2. типи терморезистора, матеріалів, і діапазони температур. Дані надані Analog Devices

Крім типу використовуваного металу, механічна структура RTD також впливає на продуктивність датчика. RTD можна розділити на два основних типи: тонкоплівкові та дротяні. Ці два типи будуть розглянуті в наступних розділах.

Тонка плівка проти. Дротові RTD

Щоб продовжити наше обговорення RTD, давайте розглянемо два типи: тонкоплівкові та дротяні.

Основи тонкоплівкового RTD

Thin Film RTD Display Structure.jpeg

Структура тонкоплівкового типу показана на рис 3(a).

малюнок 3. Приклади тонкоплівкових RTD, де (a) показано будову і (b) показує різні загальні типи. Зображення (змінений) надано Evosensors

У тонкій плівці RTD, на керамічну підкладку наноситься тонкий шар платини. Далі слідують дуже високотемпературний відпал і стабілізація, і тонкий захисний скляний шар, що покриває весь елемент. Зона обрізки показана на рис 3(a) використовується для налаштування виготовленого опору до заданого цільового значення.

Тонкоплівкові RTD покладаються на відносно нову технологію, яка значно скорочує час складання та витрати на виробництво. У порівнянні з дротяним типом, які ми детально дослідимо в наступному розділі, тонкоплівкові RTD більш стійкі до пошкоджень від ударів або вібрації. Додатково, тонкоплівкові RTD можуть вмістити великі опори на відносно невеликій площі. Наприклад, a 1.6 мм на 2.6 мм датчика забезпечує достатню площу для створення опору 1000 ох. Завдяки своїм невеликим розмірам, тонкоплівкові RTD можуть швидко реагувати на зміни температури. Ці пристрої підходять для багатьох застосувань загального призначення. Недоліками цього типу є відносно низька довготривала стабільність і вузький діапазон температур.

Дротові RTD

Конструкція дротяного RTD

малюнок 4. Огляд конструкції основного дротяного RTD. Зображення надано PR Electronics

Цей тип RTD виготовляється шляхом намотування платини навколо керамічного або скляного сердечника. Весь елемент зазвичай інкапсульований у керамічну або скляну трубку з метою захисту. RTD з керамічним сердечником підходять для вимірювання дуже високих температур. Дротові RTD, як правило, більш точні, ніж тонкоплівкові типи. Проте, вони дорожчі і легше пошкоджуються вібрацією.

Для мінімізації будь-яких навантажень на платиновий дріт, коефіцієнт теплового розширення матеріалу, який використовується в конструкції датчика, повинен відповідати платині. Ідентичні коефіцієнти теплового розширення мінімізують зміни опору, спричинені довгостроковою напругою в елементі RTD, таким чином покращуючи повторюваність і стабільність датчика.

RTD проти. Властивості термопари

На завершення розмови про датчики температури RTD, Ось коротке порівняння між датчиками RTD і термопарами.

Термопара створює напругу, пропорційну різниці температур між двома її спаями. Термопари мають автономне живлення і не потребують зовнішнього збудження, тоді як вимірювання температури на основі RTD вимагає струму або напруги збудження. Вихід термопари визначає різницю температур між холодним і гарячим спаями, тому компенсація холодного спаю потрібна в термопарах. З іншого боку, компенсація холодного спаю не потрібна для застосувань RTD, що призводить до простішої системи вимірювання.

Термопари зазвичай використовуються в -184 °C до 2300 діапазон °C, тоді як RTD можуть вимірювати від -200 °C до +850 °C. Хоча RTD, як правило, більш точні, ніж термопари, вони приблизно в два-три рази дорожчі за термопари. Ще одна відмінність полягає в тому, що RTD більш лінійні, ніж термопари, і демонструють чудову довгострокову стабільність.. З термопарами, хімічні зміни в матеріалі датчика можуть знизити довготривалу стабільність і призвести до відхилення показань датчика.