Temperaturmodulator eller RTD | Konstruktion og arbejdss princip
Hvad er et RTD (Resistance Temperature Detector)?
Et Resistance Temperature Detector (også kendt som en Resistance Thermometer eller RTD) er et elektronisk enhed, der bruges til at bestemme temperaturen ved at måle motstand på en elektrisk ledning. Denne ledning kaldes for en temperatursensor. Hvis vi ønsker at måle temperaturen med høj præcision, er et RTD den ideelle løsning, da det har gode lineære egenskaber over et bredt temperaturområde. Andre almindelige elektroniske enheder, der bruges til at måle temperatur, inkluderer en termokobling eller en termistor.
Variationen i metallets motstand med variationen i temperaturen er givet som,
Hvor, Rt og R0 er motstands-værdierne ved toC og t0oC temperaturer. α og β er konstanter, der afhænger af metallerne.
Denne udtryk gælder for et stort temperaturområde. For et lille temperaturområde kan udtrykket være,
I RTD-enheder anvendes Kupfer, Nikkel og Platin ofte. Disse tre metaller har forskellige motstandsvariationer i forhold til temperaturvariationerne. Dette kaldes motstandstemperatur-karakteristikker.
Platin har et temperaturområde på 650oC, og Kupfer og Nikkel har henholdsvis 120oC og 300oC. Figur 1 viser motstandstemperatur-karakteristikkurven for de tre forskellige metaller. For Platin ændres motstanden med ca. 0,4 ohm per grad Celsius i temperatur.
Rengraden af platin kontrolleres ved at måle R100 / R0. For de materialer, vi faktisk bruger til at lave RTD'en, skal være rene. Hvis det ikke er rent, vil det afvige fra den konventionelle motstandstemperatur-graf. Så, α og β værdier vil ændre sig afhængigt af metallerne.
Konstruktion af Resistance Temperature Detector eller RTD
Konstruktionen er typisk sådan, at ledningen er vindet på en form (i en spole) på en notcheret mika krydsramme for at opnå en lille størrelse, forbedre termisk ledeevne for at mindske respons-tiden, og en høj varmetransfer-hastighed opnås. I industrielle RTD'er er spolen beskyttet af en rustfri stål skjold eller en beskyttende tube.
Således er den fysiske belastning ubetydelig, da ledningen udvider og øger længden af ledningen med temperaturen. Hvis belastningen på ledningen stiger, stiger spændingen. Derfor vil motstanden i ledningen ændre sig, hvilket er uønsket. Så vi ønsker ikke, at motstanden i ledningen ændrer sig pga. andre uønskede ændringer end temperaturændringer. Dette er også nyttigt til RTD vedligeholdelse, mens anlægget er i drift. Mika placeres mellem stål skjoldet og motstandsledningen for bedre elektrisk isolation. Pga. mindre belastning i motstandsledningen, skal den omhyggeligt vindes over mika pladen. Figur 2 viser strukturen af en industriel Resistance Temperature Detector.
Signalbehandling af RTD
Vi kan få denne RTD på markedet. Men vi skal vide proceduren for, hvordan den bruges, og hvordan signalbehandlingskredsløbet opbygges. Således kan ledningsfejl og andre kalibreringsfejl minimeres. I denne RTD er ændringen i motstandsværdien meget lille i forhold til temperaturen.
Således måles RTD-værdien ved hjælp af en brokreds. Ved at supplere konstant elektrisk strøm til brokredsen og måle den resulterende spænding over motstanden, kan RTD-motstanden beregnes. Dermed kan temperaturen også fastsættes. Denne temperatur fastsættes ved at konvertere RTD-motstandsværdien ved hjælp af en kalibreringsudtryk. De forskellige moduler af RTD vises i nedenstående figurer.
I to tråde RTD-brokreds er dummy-tråden fraværende. Udgangstagen fra de to resterende ender som vist i figur 3. Men udvidelsesledningsmotstandene er meget vigtige at tage højde for, da impedancen af udvidelsesledninger kan påvirke temperaturmålingen. Dette effekt minimeres i tre tråde RTD-brokreds ved at tilslutte en dummy-tråd C.
Hvis tråde A og B matcher korrekt i forhold til længde og tværsnitsareal, vil deres impedanseffekter annullere, da hver tråd er i modsat position. Således fungerer dummy-tråd C som en sensortråde til at måle spændingsfald over RTD-motstanden, og den bærer ingen strøm. I disse kredsløb er udgangsspændingen direkte proportional med temperaturen. Så vi har brug for en kalibreringsligning for at finde temperaturen.
Udtryk for en tre tråde RTD-kreds
Hvis vi kender værdierne af VS og VO, kan vi finde Rg og derefter kan vi finde temperaturen ved hjælp af kalibreringsligningen. Nu antager vi, at R1 = R2:
Hvis R3 = Rg; så VO = 0 og broen er balanceret. Dette kan gøres manuelt, men hvis vi ikke ønsker at gøre en manuel beregning, kan vi bare løse ligning 3 for at få udtrykket for Rg.
Dette udtryk antager, at når ledningsmotstanden RL = 0. Antag, at RL er til stede i en situation, så bliver udtrykket for Rg,
Så er der en fejl i RTD-motstandsværdien på grund af RL motstand. Derfor skal vi kompensere RL motstand, som vi allerede har diskuteret, ved at tilslutte en dummy-linje 'C' som vist i figur 4.
