Detecteur de Temperatura per Resistència o RTD | Construcció i Principi de Funcionament
Què és un RTD (Detector de Temperatura per Resistència)?
Un Detector de Temperatura per Resistència (també conegut com a Termòmetre de Resistència o RTD) és un dispositiu electrònic utilitzat per determinar la temperatura mesurant la resistència d'un fil elèctric. Aquest fil s'anomena sensor de temperatura. Si volem mesurar la temperatura amb alta precisió, un RTD és la solució ideal, ja que té bones característiques lineals en un ampli rang de temperatures. Altres dispositius electrònics comuns utilitzats per mesurar la temperatura inclouen un termopar o un termistor.
La variació de la resistència del metall amb la variació de la temperatura es dona com,
On, Rt i R0 són els valors de resistència a to°C i t0o°C. α i β són constants que depenen dels metalls.
Aquesta expressió és per a un ampli rang de temperatures. Per a un rang reduït de temperatures, l'expressió pot ser,
En els dispositius RTD; el Cobre, el Níquel i el Platí són els metalls més utilitzats. Aquests tres metalls tenen diferents variacions de resistència respecte a les variacions de temperatura. Això s'anomena característiques de resistència-temperatura.
El Platí té un rang de temperatura de 650o°C, i després el Cobre i el Níquel tenen 120o°C i 300o°C respectivament. La figura-1 mostra la corba de les característiques de resistència-temperatura dels tres metalls diferents. Per al Platí, la seva resistència canvia aproximadament 0,4 ohms per grau Celsius de temperatura.
La puretat del platí es comprova mesurant R100 / R0. Perquè, quan utilitzem materials per fer el RTD, haurien de ser purs. Si no ho són, es desviaran de la gràfica convencional de resistència-temperatura. Així, els valors de α i β canviaràn depenent dels metalls.
Construcció d'un Detector de Temperatura per Resistència o RTD
La construcció és típicament tal que el fil es trenca en una forma (en una bobina) en un marc de mica tallat per aconseguir un petit tamany, millorant la conductivitat tèrmica per disminuir el temps de resposta i obtenir una alta taxa de transferència de calor. En els RTD industrials, la bobina està protegida per una capsa d'acer inoxidable o un tub protector.
Així, la tensió física és negligible mentre el fil s'expandeix i augmenta la longitud del fil amb el canvi de temperatura. Si la tensió sobre el fil augmenta, llavors la tensió augmenta. Com a resultat, la resistència del fil canviarà, el que és indesitjable. Per tant, no volem que la resistència del fil canviï per cap altre canvi no desitjat, excepte els canvis de temperatura. Això també és útil per a la manteniment del RTD mentre la planta està en funcionament. La mica es col·loca entre la capsa d'acer inoxidable i el fil de resistència per una millor aïllament elèctric. Degut a la menys tensió en el fil de resistència, s'hauria de fer la bobina cuidadosament sobre la fulla de mica. La fig.2 mostra la vista estructural d'un Detector de Temperatura per Resistència Industrial.
Condicionament de Senyal del RTD
Podem trobar aquest RTD al mercat. Però hem de saber el procediment per utilitzar-lo i com fer la circuitària de condicionament de senyal. Així, els errors dels fils de conducció i altres errors de calibratge es poden minimitzar. En aquest RTD, el canvi en el valor de resistència és molt petit respecte a la temperatura.
Per tant, el valor del RTD es mesura utilitzant un circuit de pont. Fent passar una corrent elèctrica constant elèctrica al circuit de pont i mesurant la caiguda de tensió resultant a través del resistor, es pot calcular la resistència del RTD. Així, també es pot determinar la temperatura. Aquesta temperatura es determina convertint el valor de resistència del RTD utilitzant una expressió de calibratge. Les diferents variants del RTD es mostren en les figures següents.
En el pont RTD de dos fils, no hi ha cap fil fictici. La sortida es pren dels altres dos extrems com es mostra en la fig.3. Però les resistències dels fils de conducció són molt importants a considerar, perquè la impedància dels fils de conducció pot afectar la lectura de la temperatura. Aquest efecte es minimitza en el circuit de pont RTD de tres fils connectant un fil fictici C.
Si els fils A i B estan ben igualats en termes de longitud i àrea de secció transversal, llavors els seus efectes d'impedància es cancel·laran perquè cada fil està en posició oposada. Així, el fil fictici C actua com un conductor de sentit per mesurar la caiguda de tensió a través de la resistència del RTD i no porta corrent. En aquests circuits, la tensió de sortida és directament proporcional a la temperatura. Per tant, necessitem una equació de calibratge per trobar la temperatura.
Expressions per a un Circuit RTD de Tres Fils
Si coneixem els valors de VS i VO, podem trobar Rg i després podem trobar el valor de la temperatura utilitzant l'equació de calibratge. Ara, assumim R1 = R2:
Si R3 = Rg; llavors VO = 0 i el pont està equilibrat. Això es pot fer manualment, però si no volem fer un càlcul manual, simplement podem resoldre l'equació 3 per obtenir l'expressió de Rg.
Aquesta expressió assumeix que, quan la resistència del fil de conducció RL = 0. Suposem que, si RL està present en una situació, llavors l'expressió de Rg es converteix en,
Per tant, hi ha un error en el valor de la resistència del RTD degut a la resistència RL. És per això que necessitem compensar la resistència RL com hem discutit anteriorment connectant un fil fictici 'C' com es mostra en la fig.4.
