Czujnik temperatury oparty na oporności lub RTD | Budowa i zasada działania
Co to jest RTD (detektor temperatury oporowy)?
Detektor temperatury oporowy (znany również jako termometr oporowy lub RTD) jest urządzeniem elektronicznym wykorzystywanym do określania temperatury przez pomiar oporu drutu elektrycznego. Ten drut nazywany jest czujnikiem temperatury. Jeśli chcemy zmierzyć temperaturę z wysoką dokładnością, RTD jest idealnym rozwiązaniem, ponieważ ma dobre cechy liniowe w szerokim zakresie temperatur. Inne powszechnie używane urządzenia elektroniczne do pomiaru temperatury obejmują termoparę lub termistor.
Zmiana oporu metalu wraz ze zmianą temperatury jest podana jako,
Gdzie, Rt i R0 to wartości oporu przy toC i t0oC. α i β to stałe zależne od metali.
To wyrażenie dotyczy szerokiego zakresu temperatur. Dla małego zakresu temperatur, wyrażenie może być,
W urządzeniach RTD szeroko stosowane są miedź, nikiel i platyna. Te trzy metale mają różne zmiany oporu w zależności od zmian temperatury. Nazywa się to charakterystykami opornościowo-temperaturowymi.
Platyna ma zakres temperatur 650oC, natomiast miedź i nikiel mają 120oC i 300oC odpowiednio. Rysunek 1 pokazuje krzywe charakterystyk opornościowo-temperaturowych dla trzech różnych metali. Dla platyny jej opór zmienia się o około 0,4 omów na stopień Celsjusza.
Czystość platyny sprawdzana jest poprzez pomiar R100 / R0. Ponieważ materiały, które faktycznie używamy do produkcji RTD, powinny być czyste. Jeśli nie będą czyste, odchyli się od konwencjonalnej krzywej opornościowo-temperaturowej. Więc, wartości α i β zmienią się w zależności od metali.
Konstrukcja detektora temperatury oporowego lub RTD
Konstrukcja jest zwykle taka, że drut jest nawijany na formę (w cewkę) na ramie miki z notkami, aby osiągnąć mały rozmiar, poprawiając przewodność cieplną, zmniejszając czas reakcji i uzyskując wysoką szybkość wymiany ciepła. W przemysłowych detektorach RTD cewka jest chroniona przez obudowę ze stali nierdzewnej lub rurę ochronną.
Dzięki temu, naprężenie fizyczne jest znikome, gdy drut się rozszerza i zwiększa długość drutu wraz ze zmianą temperatury. Jeśli naprężenie na drucie rośnie, to wzrasta napięcie. W wyniku tego, opór drutu ulegnie zmianie, co jest niepożądane. Nie chcemy, aby opór drutu zmieniał się z jakichkolwiek innych niepożądanych przyczyn poza zmianami temperatury. To jest również przydatne podczas konserwacji RTD podczas działania zakładu. Mika jest umieszczona między obudową ze stali nierdzewnej a drutem oporowym, aby zapewnić lepszą izolację elektryczną. Ze względu na małe naprężenie w drucie oporowym, należy go ostrożnie nawijać na arkusz miki. Rysunek 2 pokazuje widok strukturalny przemysłowego detektora temperatury oporowego.
Przetwarzanie sygnału w RTD
Możemy dostać ten RTD na rynku. Ale musimy znać procedurę, jak go używać i jak stworzyć układ przetwarzający sygnał. Dzięki temu błędy spowodowane przewodami oraz inne błędy kalibracji mogą być zminimalizowane. W tym RTD, zmiana wartości oporu jest bardzo mała w stosunku do temperatury.
Więc, wartość RTD jest mierzona za pomocą mostka. Poprzez dostarczenie stałego prądu elektrycznego do mostka i pomiar spadku napięcia na oporze, można obliczyć opór RTD. Stąd, można także określić temperaturę. Ta temperatura jest określana poprzez przeliczenie wartości oporu RTD za pomocą wyrażenia kalibracyjnego. Różne moduły RTD są pokazane na poniższych rysunkach.
W dwuprowadnicowym mostku RTD brak jest dummy wire. Wyjście pobierane jest z pozostałych dwóch końców, jak pokazano na rys. 3. Jednak opory przewodów rozszerzających są ważne do uwzględnienia, ponieważ ich impedancja może wpływać na odczyt temperatury. Ten efekt jest minimalizowany w trójprzewodnicowym mostku RTD poprzez podłączenie dummy wire C.
Jeśli przewody A i B są odpowiednio dopasowane pod względem długości i pola przekroju, ich efekty impedancji zanikną, ponieważ każdy przewód jest w przeciwnej pozycji. Tak więc, dummy wire C działa jako wiodący pomiarowy do pomiaru spadku napięcia na oporniku RTD i nie przeprowadza prądu. W tych obwodach, napięcie wyjściowe jest proporcjonalne do temperatury. Więc, potrzebujemy jednego równania kalibracyjnego, aby znaleźć temperaturę.
Wyrażenia dla obwodu RTD trójprzewodnicowego
Jeśli znamy wartości VS i VO, możemy znaleźć Rg i następnie możemy znaleźć wartość temperatury za pomocą równania kalibracyjnego. Załóżmy, że R1 = R2:
Jeśli R3 = Rg; to VO = 0 i mostek jest zbilansowany. To można zrobić ręcznie, ale jeśli nie chcemy ręcznie liczyć, możemy po prostu rozwiązać równanie 3, aby otrzymać wyrażenie dla Rg.
To wyrażenie zakłada, że opór przewodów RL = 0. Przyjmijmy, że RL jest obecny, wtedy wyrażenie Rg staje się,
Tak więc, występuje błąd w wartości oporu RTD z powodu oporu RL. Dlatego potrzebujemy skompensować opór RL, jak już omówiliśmy, podłączając jeden dummy line 'C', jak pokazano na rys. 4.
