Bộ cảm biến nhiệt điện trở hoặc RTD | Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
Điều gì là RTD (Bộ Dò Nhiệt Độ Chống Trở)?
Một Bộ Dò Nhiệt Độ Chống Trở (còn được gọi là Thermometer Chống Trở hoặc RTD) là thiết bị điện tử được sử dụng để xác định nhiệt độ bằng cách đo chống trở của một dây dẫn điện. Dây này được gọi là cảm biến nhiệt độ. Nếu chúng ta muốn đo nhiệt độ với độ chính xác cao, một RTD là giải pháp lý tưởng, vì nó có đặc tính tuyến tính tốt trong dải nhiệt độ rộng. Các thiết bị điện tử khác thường được sử dụng để đo nhiệt độ bao gồm thermocouple hoặc thermistor.
Sự thay đổi của chống trở kim loại theo sự thay đổi của nhiệt độ được biểu diễn như sau,
Trong đó, Rt và R0 là các giá trị chống trở tại toC và t0oC. α và β là hằng số phụ thuộc vào kim loại.
Biểu thức này dành cho dải nhiệt độ lớn. Đối với dải nhiệt độ nhỏ, biểu thức có thể là,
Trong các thiết bị RTD; Đồng, Niken và Bạch Kim được sử dụng rộng rãi. Ba kim loại này có các đặc trưng chống trở-nhiệt độ khác nhau. Điều này được gọi là đặc trưng chống trở-nhiệt độ.
Bạch Kim có dải nhiệt độ từ 650oC, và sau đó Đồng và Niken có 120oC và 300oC tương ứng. Hình 1 cho thấy đường cong đặc trưng chống trở-nhiệt độ của ba kim loại khác nhau. Đối với Bạch Kim, chống trở của nó thay đổi khoảng 0,4 ohm mỗi độ Celsius của nhiệt độ.
Độ tinh khiết của bạch kim được kiểm tra bằng cách đo R100 / R0. Vì, bất kỳ vật liệu nào chúng ta thực sự sử dụng để làm RTD đều phải tinh khiết. Nếu không tinh khiết, nó sẽ lệch khỏi đồ thị chống trở-nhiệt độ thông thường. Do đó, giá trị α và β sẽ thay đổi tùy theo kim loại.
Xây Dựng Bộ Dò Nhiệt Độ Chống Trở Hoặc RTD
Cấu trúc thường là dây được quấn trên một hình dạng (trong một cuộn) trên khung mica có khe để đạt kích thước nhỏ, cải thiện khả năng dẫn nhiệt để giảm thời gian phản hồi và đạt tỷ lệ truyền nhiệt cao. Trong các RTD công nghiệp, cuộn dây được bảo vệ bởi vỏ thép không gỉ hoặc ống bảo vệ.
Như vậy, sức căng vật lý là không đáng kể khi dây mở rộng và tăng chiều dài dây theo sự thay đổi nhiệt độ. Nếu sức căng trên dây tăng lên, thì lực căng cũng tăng. Do đó, chống trở của dây sẽ thay đổi, điều này không mong muốn. Vì vậy, chúng ta không muốn thay đổi chống trở của dây do bất kỳ thay đổi không mong muốn nào ngoại trừ thay đổi nhiệt độ. Điều này cũng hữu ích cho việc bảo trì RTD khi nhà máy đang hoạt động. Mica được đặt giữa vỏ thép và dây chống trở để cách điện tốt hơn. Do ít sức căng trong dây chống trở, nó nên được quấn cẩn thận trên tấm mica. Hình 2 cho thấy cấu trúc của Bộ Dò Nhiệt Độ Chống Trở Công Nghiệp.
Điều Kiện Tín Hiệu Của RTD
Chúng ta có thể mua RTD trên thị trường. Nhưng chúng ta phải biết quy trình sử dụng và cách tạo mạch điều kiện tín hiệu. Nhờ đó, lỗi dây dẫn và các lỗi hiệu chuẩn khác có thể được giảm thiểu. Trong RTD, sự thay đổi giá trị chống trở rất nhỏ so với nhiệt độ.
Vì vậy, giá trị RTD được đo bằng cách sử dụng mạch cầu. Bằng cách cung cấp dòng điện liên tục cho mạch cầu và đo điện áp rơi qua chống trở, chống trở RTD có thể được tính toán. Từ đó, nhiệt độ cũng có thể được xác định. Nhiệt độ này được xác định bằng cách chuyển đổi giá trị chống trở RTD sử dụng biểu thức hiệu chuẩn. Các mô-đun khác nhau của RTD được hiển thị trong các hình dưới đây.
Trong mạch cầu hai dây RTD, dây giả vắng mặt. Đầu ra được lấy từ hai đầu còn lại như hình 3. Nhưng kháng của dây dẫn kéo dài rất quan trọng cần xem xét, vì kháng của dây dẫn kéo dài có thể ảnh hưởng đến đọc nhiệt độ. Hiệu ứng này được giảm thiểu trong mạch cầu ba dây RTD bằng cách kết nối dây giả C.
Nếu dây A và B được ghép đúng về độ dài và diện tích tiết diện, thì tác động của kháng của chúng sẽ triệt tiêu vì mỗi dây ở vị trí đối lập. Như vậy, dây giả C hoạt động như một dây dẫn cảm nhận để đo điện áp rơi qua chống trở RTD và nó không mang dòng điện. Trong các mạch này, điện áp đầu ra tỷ lệ thuận với nhiệt độ. Vì vậy, chúng ta cần một phương trình hiệu chuẩn để tìm nhiệt độ.
Biểu Thức Cho Mạch RTD Ba Dây
Nếu chúng ta biết giá trị của VS và VO, chúng ta có thể tìm Rg và sau đó chúng ta có thể tìm giá trị nhiệt độ sử dụng phương trình hiệu chuẩn. Giờ, giả sử R1 = R2:
Nếu R3 = Rg; thì VO = 0 và cầu cân bằng. Điều này có thể được thực hiện thủ công, nhưng nếu chúng ta không muốn tính toán thủ công, chúng ta chỉ cần giải phương trình 3 để lấy biểu thức cho Rg.
Biểu thức này giả định, khi kháng dây dẫn RL = 0. Giả sử, nếu RL có mặt, thì biểu thức của Rg trở thành,
Vì vậy, có lỗi trong giá trị chống trở RTD do kháng RL. Đó là lý do tại sao chúng ta cần bù kháng RL như đã thảo luận bằng cách kết nối một dây giả 'C' như hình 4.
