Cosa è un Resistance Temperature Detector?
Cos'è un Resistance Temperature Detector?
Definizione di Resistance Temperature Detector
Un Resistance Temperature Detector (noto anche come termometro a resistenza o RTD) è un dispositivo elettronico utilizzato per determinare la temperatura misurando la resistenza di un filo elettrico. Questo filo viene chiamato sensore di temperatura. Se si desidera misurare la temperatura con alta precisione, l'RTD è la soluzione ideale, poiché presenta caratteristiche lineari buone su un ampio intervallo di temperature. Altri dispositivi elettronici comuni utilizzati per misurare la temperatura includono il termocoppio o il termistore.
La variazione della resistenza del metallo con la variazione della temperatura è data da,
Dove, Rt e R0 sono i valori di resistenza alle temperature toC e t0oC. α e β sono costanti che dipendono dai metalli.Questa espressione è valida per un ampio intervallo di temperature. Per un piccolo intervallo di temperature, l'espressione può essere,
I dispositivi RTD utilizzano comunemente metalli come rame, nichel e platino. Ogni metallo ha variazioni di resistenza uniche che corrispondono alle variazioni di temperatura, note come caratteristiche resistenza-temperatura.
Il platino ha un intervallo di temperatura di 650°C, mentre il rame e il nichel hanno rispettivamente 120°C e 300°C. La figura 1 mostra la curva delle caratteristiche resistenza-temperatura dei tre metalli diversi. Per il platino, la sua resistenza cambia di circa 0,4 ohm per grado Celsius di temperatura.
La purezza del platino negli RTD è verificata dal rapporto R100 / R0. Le impurità nel materiale causano deviazioni dal grafico resistenza-temperatura previsto, influenzando i valori α e β specifici del metallo.
Costruzione di un Resistance Temperature Detector o RTD
La costruzione è tipicamente tale che il filo sia avvolto in una forma (in una spirale) su un telaio incrociato di mica scanalato per ottenere dimensioni ridotte, migliorando la conduttività termica per diminuire il tempo di risposta e ottenere un alto tasso di trasferimento di calore. Negli RTD industriali, la spirale è protetta da un involucro in acciaio inossidabile o da un tubo protettivo.
In questo modo, la tensione fisica è trascurabile poiché il filo si espande e aumenta la lunghezza del filo con la variazione di temperatura. Se la tensione sul filo aumenta, allora aumenta anche la tensione. A causa di ciò, la resistenza del filo cambierà, il che è indesiderabile. Quindi, non vogliamo che la resistenza del filo cambi per cause indesiderate, tranne che per le variazioni di temperatura.
Questo è anche utile per la manutenzione degli RTD durante il funzionamento dell'impianto. La mica è posizionata tra l'involucro in acciaio e il filo di resistenza per un migliore isolamento elettrico. A causa della minore tensione sul filo di resistenza, esso deve essere avvolto con cura sulla lamina di mica. La fig. 2 mostra la vista strutturale di un Resistance Temperature Detector industriale.
Condizionamento del segnale degli RTD
Possiamo trovare questo RTD sul mercato. Ma dobbiamo conoscere la procedura per usarlo e come realizzare la circuitazione di condizionamento del segnale. In questo modo, gli errori dovuti ai cavi di connessione e altri errori di taratura possono essere minimizzati. In questo RTD, la variazione del valore di resistenza è molto piccola rispetto alla temperatura.
La resistenza di un RTD è determinata utilizzando un circuito a ponte, dove viene fornita una corrente elettrica costante e si misura la caduta di tensione attraverso un resistore per calcolare la temperatura. Questa temperatura è determinata convertendo il valore di resistenza dell'RTD utilizzando un'espressione di taratura. I diversi moduli di RTD sono mostrati nelle figure sottostanti.
Nel ponte RTD a due fili, il filo fittizio è assente. L'uscita è presa dagli altri due estremi come mostrato nella fig. 3. Tuttavia, le resistenze dei cavi di estensione sono molto importanti da considerare, poiché l'impedenza dei cavi di estensione può influire sulla lettura della temperatura. Questo effetto è minimizzato nel circuito a ponte RTD a tre fili collegando un filo fittizio C.
In un RTD a tre fili, se i fili A e B sono identici in lunghezza e sezione, i loro effetti di impedenza si neutralizzano a vicenda. Il filo fittizio C serve quindi come linea di sensore per misurare la caduta di tensione senza portare corrente. In questi circuiti, la tensione di uscita è direttamente proporzionale alla temperatura. Quindi, abbiamo bisogno di un'equazione di taratura per trovare la temperatura.
Espressioni per un circuito RTD a tre fili
Se conosciamo i valori di VS e VO, possiamo trovare Rg e poi possiamo trovare il valore di temperatura utilizzando l'equazione di taratura. Ora, assumiamo R1 = R2:
Se R3 = Rg; allora VO = 0 e il ponte è bilanciato. Questo può essere fatto manualmente, ma se non vogliamo fare un calcolo manuale, possiamo semplicemente risolvere l'equazione 3 per ottenere l'espressione per Rg.
Questa espressione assume, quando la resistenza del cavo di connessione RL = 0. Supponiamo che RL sia presente in una situazione, allora l'espressione di Rg diventa,
Quindi, c'è un errore nel valore di resistenza dell'RTD a causa della resistenza RL. È per questo motivo che dobbiamo compensare la resistenza RL come già discusso, collegando una linea fittizia 'C' come mostrato nella fig. 4.
Limitazioni degli RTD
Nella resistenza dell'RTD, ci sarà una dissipazione di potenza I2R da parte del dispositivo stesso che causa un leggero effetto di riscaldamento. Questo è chiamato autoscaldamento nell'RTD. Questo può anche causare una lettura errata. Pertanto, la corrente elettrica attraverso la resistenza dell'RTD deve essere mantenuta sufficientemente bassa e costante per evitare l'autoscaldamento.
