Temperatuurdetector met weerstand of RTD | Constructie en werking
Wat is een RTD (Weerstandstemperatuurdetector)?
Een Weerstandstemperatuurdetector (ook bekend als een Weerstandsthermometer of RTD) is een elektronisch apparaat dat wordt gebruikt om de temperatuur te bepalen door de weerstand van een elektrische draad te meten. Deze draad wordt ook wel een temperatuursensor genoemd. Als we de temperatuur met hoge nauwkeurigheid willen meten, is een RTD de ideale oplossing, omdat het goede lineaire eigenschappen heeft over een breed temperatuurbereik. Andere veel gebruikte elektronische apparaten om temperatuur te meten zijn een thermokoppel of een thermistor.
De variatie van de weerstand van het metaal met de variatie van de temperatuur wordt gegeven als,
Waarbij, Rt en R0 de weerstandswaarden zijn bij toC en t0oC temperaturen. α en β zijn constanten die afhankelijk zijn van de metalen.
Deze expressie is voor een groot temperatuurbereik. Voor een klein temperatuurbereik kan de expressie zijn,
In RTD-apparaten worden koper, nikkel en platina wijdverspreid gebruikt. Deze drie metalen hebben verschillende weerstandsvariaties ten opzichte van de temperatuurvariaties. Dit wordt de weerstandstemperatuureigenschappen genoemd.
Platina heeft een temperatuurbereik van 650oC, terwijl koper en nikkel respectievelijk 120oC en 300oC hebben. Figuur 1 toont de weerstandstemperatuureigenschappenkromme van de drie verschillende metalen. Voor platina verandert de weerstand ongeveer 0,4 ohm per graad Celsius temperatuur.
De zuiverheid van het platina wordt gecontroleerd door R100 / R0 te meten. Omdat, wat voor materialen we eigenlijk gebruiken voor het maken van de RTD, moeten zuiver zijn. Als ze niet zuiver zijn, zullen ze afwijken van de conventionele weerstandstemperatuurgrafiek. Dus, de waarden van α en β zullen afhangen van de metalen.
Constructie van een Weerstandstemperatuurdetector of RTD
De constructie is meestal zo dat de draad op een vorm (in een spoel) wordt gewikkeld op een notched mica kruisframe om een kleine grootte te behalen, waardoor de thermische geleiding wordt verbeterd om de responstijd te verkorten en een hoge warmteoverdrachtsnelheid wordt verkregen. In industriële RTD's wordt de spoel beschermd door een roestvrijstalen mantel of een beschermende buis.
Daardoor is de fysieke spanning verwaarloosbaar als de draad uitrekt en de lengte van de draad met de temperatuurverandering toeneemt. Als de spanning op de draad toeneemt, neemt de spanning toe. Daardoor verandert de weerstand van de draad, wat ongewenst is. Dus, we willen de weerstand van de draad niet veranderen door andere ongewenste veranderingen, behalve de temperatuurveranderingen.
Dit is ook nuttig voor de onderhoud van de RTD terwijl de installatie in bedrijf is. Mica wordt tussen de stalen mantel en de weerstandsdraad geplaatst voor betere elektrische isolatie. Vanwege de geringe spanning in de weerstandsdraad, moet deze zorgvuldig over het mica blad worden gewikkeld. Figuur 2 toont het structurele uitzicht van een Industriële Weerstandstemperatuurdetector.
Signaalbewerking van RTD
We kunnen deze RTD op de markt krijgen. Maar we moeten weten hoe we het moeten gebruiken en hoe we de signaalbewerkingschakeling moeten maken. Zo kunnen de leiddraadfouten en andere kalibratiefouten worden geminimaliseerd. In deze RTD is de verandering in weerstandswaarde zeer klein ten opzichte van de temperatuur.
Dus, de RTD-waarde wordt gemeten met behulp van een brugcircuit. Door een constante elektrische stroom aan het brugcircuit te leveren en de resulterende spanning over de weerstand te meten, kan de RTD-weerstand worden berekend. Hierdoor kan de temperatuur ook worden bepaald. Deze temperatuur wordt bepaald door de RTD-weerstandswaarde te converteren met behulp van een kalibratieexpressie. De verschillende modules van RTD staan afgebeeld in de onderstaande figuren.
In een tweedradige RTD-brug is de dummy-draad afwezig. Het uitvoersignaal wordt genomen van de overige twee einden zoals getoond in figuur 3. Maar de impedantie van de uitbreidingsspanningen is erg belangrijk om te overwegen, omdat de impedantie van de uitbreidingsspanningen de temperatuurmeting kan beïnvloeden. Dit effect wordt geminimaliseerd in een driedradige RTD-brugcircuit door een dummy-draad C aan te sluiten.
Als de draden A en B goed zijn afgestemd in termen van lengte en doorsnede, dan zullen hun impedantie-effecten elkaar opheffen omdat elke draad in tegenovergestelde positie staat. Daardoor fungeert de dummy-draad C als een sensordraad om de spanningsval over de RTD-weerstand te meten en voert hij geen stroom. In deze schakelingen is de uitgangsspanning recht evenredig met de temperatuur. Dus, we hebben één kalibratieformule nodig om de temperatuur te vinden.
Expressies voor een driedradige RTD-schakeling
Als we de waarden van VS en VO kennen, kunnen we Rg vinden en vervolgens de temperatuurwaarde bepalen met behulp van de kalibratieformule. Laten we nu aannemen dat R1 = R2:
Als R3 = Rg; dan VO = 0 en de brug is in evenwicht. Dit kan handmatig worden gedaan, maar als we geen handmatige berekening willen doen, kunnen we gewoon vergelijking 3 oplossen om de expressie voor Rg te krijgen.
Deze expressie gaat ervan uit dat, wanneer de leiddraadweerstand RL = 0. Stel, als RL aanwezig is in een situatie, dan wordt de expressie van Rg,
Dus, er is een fout in de RTD-weerstandswaarde vanwege de RL-weerstand. Daarom moeten we de R
