Co to jest czujnik temperatury oparty na oporności?
Co to jest czujnik temperatury oporowy?
Definicja czujnika temperatury oporowego
Czujnik temperatury oporowy (znany również jako termometr oporowy lub RTD) to urządzenie elektroniczne używane do określania temperatury poprzez pomiar oporu drutu elektrycznego. Ten drut nazywany jest czujnikiem temperatury. Jeśli chcemy mierzyć temperaturę z wysoką dokładnością, RTD jest idealnym rozwiązaniem, ponieważ ma dobre charakterystyki liniowe w szerokim zakresie temperatur. Inne powszechne urządzenia elektroniczne używane do pomiaru temperatury to termopary i termistory.
Zmiana oporu metali wraz ze zmianą temperatury dana jest wzorem,
Gdzie Rt i R0 to wartości oporu przy temperaturach toC i t0oC. α i β to stałe zależne od metali. Ten wyrażenie dotyczy szerokiego zakresu temperatur. Dla małego zakresu temperatur, wyrażenie może być,
Urządzenia RTD często wykorzystują metale takie jak miedź, nikiel i platyna. Każdy metal ma unikalne zmiany oporu odpowiadające zmianom temperatury, znane jako charakterystyka opornościowo-temperaturowa.
Platyna ma zakres temperatur 650oC, a następnie miedź i nikiel mają odpowiednio 120oC i 300oC. Rysunek 1 pokazuje krzywe charakterystyk opornościowo-temperaturowych trzech różnych metali. W przypadku platyny, jej opór zmienia się o około 0,4 omów na stopień Celsjusza temperatury.
Czystość platyny w czujnikach RTD jest weryfikowana przez stosunek R100 / R0. Zanieczyszczenia w materiale powodują odchylenia od oczekiwanej charakterystyki opornościowo-temperaturowej, wpływając na wartości α i β specyficzne dla danego metalu.
Konstrukcja czujnika temperatury oporowego lub RTD
Konstrukcja jest zwykle taka, że drut jest nawijany na formę (w cewkę) na ramie z notowanym mikiem, aby osiągnąć mały rozmiar, poprawić przewodność cieplną, zmniejszyć czas reakcji i uzyskać wysoką szybkość wymiany ciepła. W przemysłowych czujnikach RTD, cewka jest chroniona przez obudowę ze stali nierdzewnej lub rurę ochronną.
Dzięki temu, napięcia fizyczne są zaniedbywalne, gdy drut się rozszerza i zwiększa długość wraz ze zmianą temperatury. Jeśli napięcie na drucie rośnie, to zwiększa się naprężenie. W wyniku tego, opór drutu się zmienia, co jest niepożądane. Nie chcemy, aby opór drutu zmieniał się w wyniku innych niepożądanych zmian, poza zmianami temperatury.
To jest również przydatne podczas konserwacji czujników RTD podczas działania zakładu. Miki umieszczany jest między stalową obudową a drutem opornym, aby zapewnić lepszą izolację elektryczną. Ze względu na niewielkie napięcia w drucie opornym, należy go ostrożnie nawijać na arkusz miki. Rysunek 2 przedstawia strukturalny widok przemysłowego czujnika temperatury oporowego.
Przetwarzanie sygnału RTD
Możemy kupić ten czujnik RTD na rynku. Ale musimy znać procedurę jego użycia oraz sposób tworzenia obwodów przetwarzających sygnał. Dzięki temu, błędy spowodowane przewodami prowadzącymi i inne błędy kalibracji mogą być zminimalizowane. W tym czujniku RTD, zmiana wartości oporu jest bardzo mała w stosunku do temperatury.
Opór czujnika RTD jest określany za pomocą obwodu mostkowego, gdzie podawany jest stały prąd elektryczny, a spadek napięcia na rezystorze jest mierzony, aby obliczyć temperaturę. Ta temperatura jest określane przez przeliczenie wartości oporu RTD za pomocą wyrażenia kalibracyjnego. Różne moduły RTD są przedstawione na poniższych rysunkach.
W mostkowym układzie RTD z dwoma przewodami, brak jest fałszywego przewodu. Wyjście pobierane jest z pozostałych dwóch końców, jak pokazano na rys. 3. Ale opory przewodów prowadzących są bardzo ważne do uwzględnienia, ponieważ impedancja przewodów prowadzących może wpływać na odczyt temperatury. Ten efekt jest minimalizowany w mostkowym układzie RTD z trzema przewodami poprzez połączenie fałszywego przewodu C.
W czujniku RTD z trzema przewodami, jeśli przewody A i B są identyczne pod względem długości i przekroju poprzecznego, ich efekty impedancyjne neutralizują się nawzajem. Fałszywy przewód C służy jako przewód czujnikowy do pomiaru spadku napięcia bez przeprowadzania prądu. W tych obwodach, napięcie wyjściowe jest bezpośrednio proporcjonalne do temperatury. Więc potrzebujemy jednego równania kalibracyjnego, aby znaleźć temperaturę.
Wyrażenia dla obwodu RTD z trzema przewodami
Jeśli znamy wartości VS i VO, możemy znaleźć Rg, a następnie możemy znaleźć wartość temperatury za pomocą równania kalibracyjnego. Teraz, załóżmy, że R1 = R2:
Jeśli R3 = Rg; to VO = 0 i mostek jest zbilansowany. To można zrobić ręcznie, ale jeśli nie chcemy ręcznie obliczać, możemy po prostu rozwiązać równanie 3, aby uzyskać wyrażenie dla Rg.
To wyrażenie zakłada, że opór przewodów RL = 0. Załóżmy, że RL jest obecny w danej sytuacji, wtedy wyrażenie Rg staje się,
Więc, występuje błąd wartości oporu RTD z powodu oporu RL. Dlatego potrzebujemy kompensować opór RL, jak już omówiliśmy, poprzez połączenie jednego fałszywego przewodu 'C', jak pokazano na rys. 4.
Ograniczenia RTD
W oporze RTD wystąpi dysypacja mocy I2R przez sam urządzenie, co powoduje lekki efekt grzewczy. Nazywa się to autogrzaniem w RTD. Może to również spowodować błędny odczyt. Dlatego prąd elektryczny przez opór RTD musi być utrzymany na odpowiednio niskim i stałym poziomie, aby uniknąć autogrzania.
