เครื่องวัดอุณหภูมิด้วยความต้านทานหรือ RTD | การสร้างและหลักการทำงาน

อะไรคือ RTD (Resistance Temperature Detector)?

อุปกรณ์วัดอุณหภูมิแบบต้านทาน (Resistance Temperature Detector) หรือเรียกว่า Thermometer แบบต้านทาน หรือ RTD เป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้ในการวัดอุณหภูมิโดยการวัดความต้านทานของสายไฟฟ้า สายไฟฟ้านี้เรียกว่าเซ็นเซอร์วัดอุณหภูมิ หากต้องการวัดอุณหภูมิด้วยความแม่นยำสูง RTD คือทางออกที่เหมาะสม เนื่องจากมีคุณสมบัติเชิงเส้นที่ดีในช่วงอุณหภูมิที่กว้าง อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้วัดอุณหภูมิอย่างแพร่หลายอื่นๆ ได้แก่ เทอร์โมคัพเปิล หรือ เทอร์มิสเตอร์.

ความเปลี่ยนแปลงของความต้านทานของโลหะตามการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิสามารถแสดงได้ดังนี้,

เมื่อ Rt และ R0 คือค่าความต้านทานที่อุณหภูมิ toC และ t0oC ตามลำดับ α และ β คือค่าคงที่ที่ขึ้นอยู่กับชนิดของโลหะ.

สูตรนี้ใช้สำหรับช่วงอุณหภูมิที่กว้าง สำหรับช่วงอุณหภูมิที่แคบ สูตรอาจเป็นได้ดังนี้,

ในอุปกรณ์ RTD โลหะที่ใช้อย่างแพร่หลาย ได้แก่ ทองแดง นิกเกิล และแพลทินัม โลหะทั้งสามชนิดมีการเปลี่ยนแปลงความต้านทานที่แตกต่างกันตามการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ ซึ่งเรียกว่าคุณสมบัติความต้านทาน-อุณหภูมิ.

แพลทินัมมีช่วงอุณหภูมิ 650oC ในขณะที่ทองแดงและนิกเกิลมีช่วงอุณหภูมิ 120oC และ 300oC ตามลำดับ รูปที่ 1 แสดงกราฟความต้านทาน-อุณหภูมิของโลหะทั้งสามชนิด สำหรับแพลทินัม ความต้านทานจะเปลี่ยนแปลงประมาณ 0.4 โอห์มต่อองศาเซลเซียสของอุณหภูมิ.

ความบริสุทธิ์ของแพลทินัมสามารถตรวจสอบได้โดยการวัด R100 / R0 เพราะวัสดุที่เราใช้ทำ RTD ควรจะบริสุทธิ์ หากไม่บริสุทธิ์ จะทำให้ค่าความต้านทาน-อุณหภูมิผิดเพี้ยน ดังนั้นค่า α และ β จะเปลี่ยนแปลงไปตามชนิดของโลหะ.

โครงสร้างของ Resistance Temperature Detector หรือ RTD

โครงสร้างโดยทั่วไปคือ การพันสายไฟบนเฟรมครอสไมกาที่มีร่อง เพื่อให้มีขนาดเล็ก ปรับปรุงการนำความร้อนลดเวลาตอบสนอง และได้ความถ่ายเทความร้อนสูง ใน RTD สำหรับอุตสาหกรรม วงจรพันจะได้รับการป้องกันโดยปลอกเหล็กกล้าหรือท่อป้องกัน.

ดังนั้น การขยายตัวของสายไฟจะทำให้ความต้านทานเปลี่ยนแปลง ซึ่งไม่ต้องการ เราไม่อยากให้ความต้านทานของสายไฟเปลี่ยนแปลงโดยเหตุผลอื่นนอกจากการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ นอกจากนี้ยังมีประโยชน์ในการบำรุงรักษา RTD ในขณะที่โรงงานกำลังทำงาน ไมกาถูกวางระหว่างปลอกเหล็กกล้าและสายไฟเพื่อการฉนวนไฟฟ้าที่ดีขึ้น ด้วยแรงดึงน้อยในสายไฟ ควรพันอย่างระมัดระวังบนแผ่นไมกา รูปที่ 2 แสดงภาพโครงสร้างของ Industrial Resistance Temperature Detector.

การปรับสภาพสัญญาณของ RTD

เราสามารถหา RTD ได้ในตลาด แต่เราต้องทราบขั้นตอนการใช้งานและการสร้างวงจรปรับสภาพสัญญาณ เพื่อลดข้อผิดพลาดจากสายนำและข้อผิดพลาดในการสอบเทียบ ใน RTD นี้ ค่าความต้านทานจะเปลี่ยนแปลงน้อยมากเมื่อเทียบกับการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ.

ดังนั้น ค่า RTD ถูกวัดโดยใช้วงจรสะพาน โดยการจ่ายกระแสไฟฟ้าคงที่ให้กับวงจรสะพานและวัดแรงดันตกคร่อมตัวต้านทาน ค่าความต้านทานของ RTD สามารถคำนวณได้ ดังนั้น อุณหภูมิสามารถกำหนดได้จากการแปลงค่าความต้านทานของ RTD ด้วยสมการสอบเทียบ โมดูลต่างๆ ของ RTD แสดงในรูปด้านล่าง.



ในวงจรสะพาน RTD สองสาย ไม่มีสายหลอก เอาต์พุตถูกนำมาจากปลายที่เหลือตามที่แสดงในรูปที่ 3 แต่ความต้านทานของสายนำขยายมีความสำคัญในการพิจารณา เนื่องจากความต้านทานของสายนำอาจส่งผลกระทบต่อการอ่านค่าอุณหภูมิ ผลกระทบนี้ถูกลดลงในวงจรสะพาน RTD สามสายโดยการเชื่อมต่อสายหลอก C.

หากสาย A และ B ตรงกันในด้านความยาวและพื้นที่หน้าตัด ความต้านทานของสายจะยกเลิกกันเพราะสายแต่ละเส้นอยู่ในตำแหน่งตรงข้าม ดังนั้น สายหลอก C ทำหน้าที่เป็นสายตรวจวัดแรงดันตกคร่อมความต้านทานของ RTD และไม่พากระแสไฟฟ้า ในวงจรเหล่านี้ แรงดันเอาต์พุตเป็นสัดส่วนโดยตรงกับอุณหภูมิ ดังนั้น เราต้องการสมการสอบเทียบเพื่อหาอุณหภูมิ.

สมการสำหรับวงจร RTD สามสาย

หากเรารู้ค่าของ VS และ VO เราสามารถหา Rg และจากนั้นเราสามารถหาค่าอุณหภูมิโดยใช้สมการสอบเทียบ ตอนนี้ สมมติว่า R1 = R2:

หาก R3 = Rg; แล้ว VO = 0 และวงจรสะพานจะสมดุล สามารถทำได้ด้วยตนเอง แต่หากเราไม่อยากคำนวณด้วยตนเอง เราสามารถแก้สมการ 3 เพื่อหาสมการสำหรับ Rg.

สมการนี้สมมติว่า เมื่อความต้านทานของสายนำ RL = 0 หาก RL มีอยู่ในสถานการณ์ สมการของ Rg จะเป็น,

ดังนั้นมีข้อผิดพลาดในค่าความต้านทานของ RTD เนื่องจากความต้านทานของ RL นั่นคือเหตุผลที่เราต้องชดเชยความต้านทานของ RL ดังที่เราได้กล่าวไว้แล้วโดยการเชื่อมต่อสายหลอก 'C' ตาม