Điều gì là Bộ dò Nhiệt điện trở?

Cảm biến nhiệt độ điện trở là gì?

Định nghĩa Cảm biến nhiệt độ điện trở

Cảm biến nhiệt độ điện trở (còn được gọi là Đồng hồ điện trở hoặc RTD) là thiết bị điện tử được sử dụng để xác định nhiệt độ bằng cách đo điện trở của dây dẫn điện. Dây này được gọi là cảm biến nhiệt độ. Nếu chúng ta muốn đo nhiệt độ với độ chính xác cao, RTD là giải pháp lý tưởng, vì nó có đặc tính tuyến tính tốt trong một phạm vi nhiệt độ rộng. Các thiết bị điện tử thông thường khác được sử dụng để đo nhiệt độ bao gồm cặp nhiệt điện hoặc nhiệt điện trở.

Sự thay đổi điện trở của kim loại theo sự thay đổi nhiệt độ được biểu diễn như sau,

Trong đó, Rt và R0 là giá trị điện trở tại nhiệt độ toC và t0oC. α và β là các hằng số phụ thuộc vào kim loại.Biểu thức này áp dụng cho phạm vi nhiệt độ lớn. Đối với phạm vi nhiệt độ nhỏ, biểu thức có thể là,

Thiết bị RTD thường sử dụng các kim loại như Đồng, Niken và Bạch kim. Mỗi kim loại có sự thay đổi điện trở độc đáo tương ứng với sự thay đổi nhiệt độ, được gọi là đặc tính điện trở-nhiệt độ.

Bạch kim có phạm vi nhiệt độ là 650oC, sau đó Đồng và Niken có phạm vi 120oC và 300oC tương ứng. Hình 1 cho thấy đường cong đặc tính điện trở-nhiệt độ của ba kim loại khác nhau. Đối với Bạch kim, điện trở của nó thay đổi khoảng 0,4 ohm cho mỗi độ Celsius của nhiệt độ.

Độ tinh khiết của bạch kim trong RTDs được xác minh bằng tỷ lệ R100 / R0. Các tạp chất trong vật liệu gây ra sự sai lệch từ đồ thị điện trở-nhiệt độ dự kiến, ảnh hưởng đến các giá trị α và β cụ thể cho kim loại.

Cấu tạo của Cảm biến nhiệt độ điện trở hoặc RTD

Cấu tạo thường là dây được quấn trên một khung (ở dạng cuộn) trên khung mica có rãnh để đạt kích thước nhỏ, cải thiện khả năng dẫn nhiệt để giảm thời gian phản hồi và đạt được tốc độ truyền nhiệt cao. Trong RTD công nghiệp, cuộn dây được bảo vệ bởi vỏ thép không gỉ hoặc ống bảo vệ.

Vì vậy, ứng suất vật lý là rất nhỏ khi dây giãn nở và tăng chiều dài dây theo sự thay đổi nhiệt độ. Nếu ứng suất trên dây tăng, thì lực căng cũng tăng. Do đó, điện trở của dây sẽ thay đổi, điều này không mong muốn. Vì vậy, chúng ta không muốn thay đổi điện trở của dây do bất kỳ thay đổi không mong muốn nào ngoại trừ sự thay đổi nhiệt độ.

Điều này cũng hữu ích cho việc bảo trì RTD trong quá trình hoạt động của nhà máy. Mica được đặt giữa vỏ thép và dây điện trở để cách điện tốt hơn. Do ít ứng suất trong dây điện trở, nó nên được quấn cẩn thận lên tấm mica. Hình 2 cho thấy cấu trúc của Cảm biến nhiệt độ điện trở công nghiệp.

Xử lý tín hiệu của RTD

Chúng ta có thể mua RTD trên thị trường. Nhưng chúng ta phải biết quy trình sử dụng và cách tạo mạch xử lý tín hiệu. Vì vậy, lỗi do dây dẫn và các lỗi hiệu chuẩn khác có thể được giảm thiểu. Trong RTD, sự thay đổi giá trị điện trở rất nhỏ so với nhiệt độ.

Điện trở của RTD được xác định bằng mạch cầu, nơi cung cấp dòng điện không đổi và đo điện áp rơi qua một điện trở để tính toán nhiệt độ. Nhiệt độ này được xác định bằng cách chuyển đổi giá trị điện trở của RTD sử dụng biểu thức hiệu chuẩn. Các mô-đun khác nhau của RTD được hiển thị trong các hình dưới đây.

Trong mạch cầu RTD hai dây, dây giả vắng mặt. Đầu ra được lấy từ hai đầu còn lại như được hiển thị trong hình 3. Nhưng điện trở của dây kéo dài rất quan trọng cần được xem xét, vì trở kháng của dây kéo dài có thể ảnh hưởng đến đọc nhiệt độ. Hiệu ứng này được giảm thiểu trong mạch cầu RTD ba dây bằng cách kết nối dây giả C.

Trong RTD ba dây, nếu dây A và B có cùng chiều dài và diện tích tiết diện, tác động của trở kháng của chúng sẽ triệt tiêu lẫn nhau. Dây giả C sau đó đóng vai trò là dây dẫn cảm biến để đo điện áp rơi mà không mang dòng điện. Trong các mạch này, điện áp đầu ra tỷ lệ thuận trực tiếp với nhiệt độ. Vì vậy, chúng ta cần một phương trình hiệu chuẩn để tìm nhiệt độ.

Biểu thức cho mạch RTD ba dây

Nếu chúng ta biết giá trị của VS và V_O, chúng ta có thể tìm Rg và sau đó chúng ta có thể tìm giá trị nhiệt độ bằng phương trình hiệu chuẩn. Giờ, giả sử R₁ = R₂:

Nếu R₃ = R_g; thì V_O = 0 và cầu cân bằng. Điều này có thể được thực hiện thủ công, nhưng nếu chúng ta không muốn tính toán thủ công, chúng ta có thể chỉ cần giải phương trình 3 để tìm biểu thức cho R_g.

Biểu thức này giả định, khi điện trở dây dẫn R_L = 0. Giả sử, nếu RL có mặt trong tình huống, thì biểu thức của R_g trở thành,

Vì vậy, có lỗi trong giá trị điện trở của RTD do điện trở R_L. Đó là lý do tại sao chúng ta cần bù đắp điện trở R_L như đã thảo luận bằng cách kết nối một dây giả 'C' như được hiển thị trong hình 4.

Hạn chế của RTD

Trong điện trở RTD, sẽ có sự tiêu thụ công suất I2R do chính thiết bị gây ra, gây ra hiệu ứng làm nóng nhẹ. Điều này được gọi là tự làm nóng trong RTD. Điều này cũng có thể gây ra đọc sai. Do đó, dòng điện qua điện trở RTD phải được giữ đủ thấp và ổn định để tránh tự làm nóng.