อะไรคือตัวตรวจจับอุณหภูมิด้วยความต้านทาน

อะไรคือตัวตรวจจับอุณหภูมิแบบต้านทาน?

คำนิยามของตัวตรวจจับอุณหภูมิแบบต้านทาน

ตัวตรวจจับอุณหภูมิแบบต้านทาน (หรือเรียกว่า Resistance Thermometer หรือ RTD) เป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้ในการวัดอุณหภูมิโดยการวัดความต้านทานของสายไฟฟ้า สายไฟฟ้านี้เรียกว่าเซ็นเซอร์อุณหภูมิ หากเราต้องการวัดอุณหภูมิด้วยความแม่นยำสูง RTD จะเป็นทางออกที่เหมาะสม เนื่องจากมีลักษณะเชิงเส้นที่ดีในช่วงอุณหภูมิที่กว้าง อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์อื่น ๆ ที่ใช้วัดอุณหภูมิได้แก่เทอร์โมคัปเปิลหรือเทอร์มิสเตอร์

การเปลี่ยนแปลงของความต้านทานของโลหะตามการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิสามารถเขียนเป็น,

เมื่อ Rt และ R0 คือค่าความต้านทานที่อุณหภูมิ toC และ t0oC ตามลำดับ α และ β เป็นค่าคงที่ที่ขึ้นอยู่กับโลหะ การแสดงผลนี้สำหรับช่วงอุณหภูมิที่กว้าง ในกรณีที่ช่วงอุณหภูมิน้อย การแสดงผลอาจเป็น,การแสดงผลนี้สำหรับช่วงอุณหภูมิที่แคบ

อุปกรณ์ RTD มักใช้โลหะอย่างทองแดง นิกเกิล และแพลทินัม แต่ละโลหะมีการเปลี่ยนแปลงความต้านทานที่แตกต่างกันตามการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ ซึ่งเรียกว่าลักษณะความต้านทาน-อุณหภูมิ

แพลทินัมมีช่วงอุณหภูมิที่ 650oC ส่วนทองแดงและนิกเกิลมีช่วงอุณหภูมิที่ 120oC และ 300oC ตามลำดับ รูปที่ 1 แสดงกราฟลักษณะความต้านทาน-อุณหภูมิของสามโลหะที่แตกต่างกัน สำหรับแพลทินัม ความต้านทานจะเปลี่ยนแปลงประมาณ 0.4 โอห์มต่อองศาเซลเซียสของอุณหภูมิ

ความบริสุทธิ์ของแพลทินัมใน RTD ตรวจสอบโดยอัตราส่วน R100 / R0 สารเจือปนในวัสดุทำให้เกิดความคลาดเคลื่อนจากการแสดงผลความต้านทาน-อุณหภูมิที่คาดหวัง ทำให้ค่า α และ β เฉพาะของโลหะเปลี่ยนแปลง

โครงสร้างของตัวตรวจจับอุณหภูมิแบบต้านทานหรือ RTD

โครงสร้างมักจะเป็นสายไฟที่พันบนรูปทรง (ในรูปวงจรโค้ง) บนเฟรมไมกาที่มีร่อง เพื่อให้มีขนาดเล็ก ปรับปรุงการนำความร้อนเพื่อลดเวลาตอบสนองและได้อัตราการถ่ายเทความร้อนที่สูง ใน RTD ภาคอุตสาหกรรม วงจรโค้งจะได้รับการปกป้องด้วยปลอกเหล็กกล้าไร้สนิมหรือท่อป้องกัน

ดังนั้น การยืดหยุ่นทางกายภาพจะน้อยลงเมื่อสายขยายและเพิ่มความยาวของสายตามการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ หากแรงกดบนสายเพิ่มขึ้น แรงตึงก็จะเพิ่มขึ้น ทำให้ความต้านทานของสายเปลี่ยนแปลง ซึ่งไม่ต้องการ เราไม่ต้องการเปลี่ยนความต้านทานของสายด้วยการเปลี่ยนแปลงอื่น ๆ นอกจากการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ

นี่ยังเป็นประโยชน์ในการบำรุงรักษา RTD ขณะที่โรงงานกำลังทำงาน ไมกาถูกวางระหว่างปลอกเหล็กกล้าและสายต้านทานเพื่อฉนวนไฟฟ้าที่ดีขึ้น เนื่องจากแรงกดบนสายต้านทานน้อย ควรพันสายอย่างระมัดระวังบนแผ่นไมกา รูปที่ 2 แสดงมุมมองโครงสร้างของตัวตรวจจับอุณหภูมิแบบต้านทานภาคอุตสาหกรรม

การปรับสภาพสัญญาณของ RTD

เราสามารถหา RTD ได้ในตลาด แต่เราต้องทราบขั้นตอนวิธีการใช้งานและการสร้างวงจรปรับสภาพสัญญาณ เพื่อลดข้อผิดพลาดของสายนำและข้อผิดพลาดในการสอบเทียบ ใน RTD นี้ การเปลี่ยนแปลงของค่าความต้านทานมีน้อยมากเมื่อเทียบกับอุณหภูมิ

ความต้านทานของ RTD กำหนดโดยวงจรสะพาน โดยมีกระแสไฟฟ้าคงที่ถูกจ่ายและวัดแรงดันตกคร่อมตัวต้านทานเพื่อคำนวณอุณหภูมิ อุณหภูมินี้กำหนดโดยการแปลงค่าความต้านทานของ RTD ด้วยสมการสอบเทียบ โมดูลต่าง ๆ ของ RTD แสดงในรูปด้านล่าง

ในวงจรสะพาน RTD สองสาย ไม่มีสายจำลอง เอาต์พุตถูกนำมาจากริมสองข้างดังที่แสดงในรูปที่ 3 แต่ความต้านทานของสายขยายมีความสำคัญที่ต้องพิจารณา เนื่องจากความต้านทานของสายขยายอาจส่งผลต่อการอ่านค่าอุณหภูมิ ผลกระทบนี้ลดลงในวงจรสะพาน RTD สามสายโดยการเชื่อมต่อสายจำลอง C

ใน RTD สามสาย หากสาย A และ B มีความยาวและพื้นที่หน้าตัดเท่ากัน ผลกระทบของความต้านทานจะลบกันเอง สายจำลอง C แล้วจะทำหน้าที่เป็นสายนำเพื่อวัดแรงดันตกคร่อมโดยไม่ต้องพากระแส ในวงจรเหล่านี้ แรงดันเอาต์พุตเป็นสัดส่วนโดยตรงกับอุณหภูมิ ดังนั้น เราต้องการสมการสอบเทียบที่หนึ่งเพื่อหาอุณหภูมิ

สมการสำหรับวงจร RTD สามสาย

หากเรารู้ค่าของ VS และ VO เราสามารถหา Rg และจากนั้นเราสามารถหาค่าอุณหภูมิโดยใช้สมการสอบเทียบ ตอนนี้ สมมติว่า R1 = R2:

หาก R3 = Rg; แล้ว VO = 0 และวงจรสะพานจะสมดุล นี่สามารถทำได้ด้วยมือ แต่หากเราไม่อยากคำนวณด้วยมือ เราสามารถแก้สมการที่ 3 เพื่อหาสมการสำหรับ Rg

สมการนี้สมมติว่า เมื่อความต้านทานของสายนำ RL = 0 สมมติว่า RL ปรากฏในสถานการณ์ แล้วสมการของ Rg จะกลายเป็น,

ดังนั้นมีข้อผิดพลาดในค่าความต้านทานของ RTD เนื่องจากความต้านทานของ RL นั่นคือเหตุผลที่เราต้องชดเชยความต้านทานของ RL ตามที่เราได้กล่าวไปแล้วโดยการเชื่อมต่อสายจำลอง 'C' ดังที่แสดงในรูปที่ 4

ข้อจำกัดของ RTD

ในความต้านทานของ RTD จะมีการสลายพลังงาน I2R ด้วยตัวเองของอุปกรณ์ ซึ่งทำให้เกิดการทำความร้อนเล็กน้อย นี่เรียกว่าการทำความร้อนด้วยตัวเองใน RTD ซึ่งอาจทำให้เกิดการอ่านค่าที่ผิดพลาด ดังนั้น กระแสไฟฟ้าผ่านความต้านทานของ RTD ต้องถูกควบคุมให้ต่ำและคงที่เพียงพอเพื่อหลีกเลี่ยงการทำความร้อนด้วยตัวเอง