Wat is een weerstandsthermometer?
Wat is een Temperatuurweerstand?
Definitie van een Temperatuurweerstand
Een Temperatuurweerstand (ook bekend als een Weerstandsthermometer of RTD) is een elektronisch apparaat dat wordt gebruikt om de temperatuur te bepalen door de weerstand van een elektrische draad te meten. Deze draad wordt ook wel een temperatuursensor genoemd. Als we de temperatuur met hoge nauwkeurigheid willen meten, is een RTD de ideale oplossing, omdat het goede lineaire kenmerken heeft over een breed scala aan temperaturen. Andere veelgebruikte elektronische apparaten om de temperatuur te meten zijn een thermokoppel of een thermistor.
De variatie van de weerstand van het metaal met de variatie van de temperatuur wordt gegeven als,
Waarbij Rt en R0 de weerstandswaarden zijn bij toC en t0oC temperaturen. α en β zijn constanten die afhankelijk zijn van de metalen. Deze uitdrukking is voor een groot bereik aan temperaturen. Voor een klein bereik aan temperaturen kan de uitdrukking zijn,
RTD-apparaten gebruiken vaak metalen zoals Koper, Nikkel en Platina. Elk metaal heeft unieke weerstandsveranderingen die overeenkomen met temperatuurvariaties, bekend als weerstand-temperatuurkenmerken.
Platina heeft een temperatuurbereik van 650oC, terwijl Koper en Nikkel respectievelijk 120oC en 300oC hebben. Figuur 1 toont de weerstand-temperatuurkenmerken curve van de drie verschillende metalen. Voor Platina verandert de weerstand ongeveer 0,4 ohm per graad Celsius van temperatuur.
De zuiverheid van platina in RTD's wordt geverifieerd door de verhouding R100 / R0. Verontreinigingen in het materiaal veroorzaken afwijkingen van de verwachte weerstand-temperatuurgrafiek, wat de α en β waarden specifiek voor het metaal beïnvloedt.
Constructie van een Temperatuurweerstand of RTD
De constructie is meestal zo dat de draad wordt gewonden op een vorm (in een spoel) op een gekarteld mica kruisframe om een kleine afmeting te behalen, waardoor de warmtegeleiding wordt verbeterd om de responstijd te verkleinen en een hoge warmteoverdracht wordt verkregen. In industriële RTD's wordt de spoel beschermd door een roestvrij stalen mantel of een beschermende buis.
Zodat de fysieke spanning minimaal is wanneer de draad uitzet en de lengte van de draad toeneemt met de temperatuurverandering. Als de spanning op de draad toeneemt, neemt de spanning toe. Daardoor verandert de weerstand van de draad, wat ongewenst is. Dus, we willen de weerstand van de draad niet veranderen door andere ongewenste veranderingen, behalve de temperatuurveranderingen.
Dit is ook nuttig voor de onderhoud van RTD's tijdens de bedrijfsvoering. Mica wordt geplaatst tussen de roestvrij stalen mantel en de weerstandsdraad voor betere elektrische isolatie. Vanwege de geringe spanning in de weerstandsdraad, moet deze zorgvuldig worden gewonden over het mica-blad. Figuur 2 toont de structuur van een Industriële Temperatuurweerstand.
Signaalconditionering van RTD
We kunnen deze RTD op de markt krijgen. Maar we moeten weten hoe we het moeten gebruiken en hoe we de signaalconditioneringsschakeling moeten maken. Zodat, de leiddraadfouten en andere kalibratiefouten tot een minimum kunnen worden beperkt. In deze RTD is de verandering in de weerstandswaarde zeer klein ten opzichte van de temperatuur.
De weerstand van een RTD wordt bepaald met behulp van een brugcircuit, waarbij een constante elektrische stroom wordt aangeboden en de spanningsval over een weerstand wordt gemeten om de temperatuur te berekenen. Deze temperatuur wordt bepaald door de RTD-weerstandswaarde om te zetten met behulp van een kalibratieexpressie. De verschillende modules van RTD worden getoond in de onderstaande figuren.
In een twee-wire RTD-brug is de dummy-wire afwezig. Het uitvoersignaal wordt genomen van de overige twee einden, zoals getoond in figuur 3. Maar de weerstanden van de verlengingsdraden zijn zeer belangrijk om te overwegen, omdat de impedantie van de verlengingsdraden de temperatuurmeting kan beïnvloeden. Dit effect wordt geminimaliseerd in een drie-wire RTD-brugcircuit door een dummy-wire C aan te sluiten.
In een drie-wire RTD, als de draden A en B identiek zijn in lengte en doorsnede, neutraliseren hun impedantie-effecten elkaar. De dummy-wire C dient dan als een meetleider om de spanningsval te meten zonder stroom te dragen. In deze schakelingen is de uitgangsspanning recht evenredig met de temperatuur. Dus, we hebben één kalibratieequatie nodig om de temperatuur te vinden.
Expressies voor een Drie-Wire RTD-Schakeling
Als we de waarden van VS en VO kennen, kunnen we Rg vinden en vervolgens de temperatuurwaarde bepalen met behulp van de kalibratie-equatie. Laten we nu aannemen dat R1 = R2:
Als R3 = Rg; dan VO = 0 en de brug is in evenwicht. Dit kan handmatig worden gedaan, maar als we geen handmatige berekening willen doen, kunnen we gewoon vergelijking 3 oplossen om de expressie voor Rg te krijgen.
Deze expressie gaat ervan uit dat, wanneer de leidingsweerstand RL = 0. Stel, als RL aanwezig is in een situatie, dan wordt de expressie van Rg,
Dus, er is een fout in de RTD-weerstandswaarde vanwege de RL-weerstand. Daarom moeten we de RL-weerstand compenseren zoals we al hebben besproken door een dummy-lijn 'C' aan te sluiten, zoals getoond in figuur 4.
Beperkingen van RTD
Bij de RTD-weerstand zal er I2R-vermogensdissipatie zijn door het apparaat zelf, wat een lichte verhitting veroorzaakt. Dit wordt zelfverhitting in RTD genoemd. Dit kan ook leiden tot een foutieve meting. Daarom moet de elektrische stroom door de RTD-weerstand voldoende laag en constant worden gehouden om zelfverhitting te voorkomen.
