Senzor de temperatură de rezistență

Pentru a caracteriza relația R vs T a oricărui RTD într-un interval de temperatură reprezentând intervalul de utilizare prevăzut, calibrarea trebuie efectuată la alte temperaturi decât 0°C și 100°C. Deși se consideră că RTD-urile funcționează liniar, trebuie dovedit că sunt exacte în ceea ce privește temperaturile la care vor fi utilizate efectiv. Metodele comune de calibrare sunt metoda punctului fix și metoda comparației.

Este utilizat pentru calibrări de cea mai mare precizie de către laboratoarele de metrologie. Folosește punctul triplu, punctul de îngheț sau punctul de topire al substanțelor pure precum apa, zincul, staniul și argonul pentru a genera o temperatură cunoscută și reproductibilă. Aceste celule permit utilizatorului să reproducă condițiile reale ale scării de temperatură ITS-90. Calibrările în punct fix asigură calibrări extrem de precise (până la ± 0,001 ° C). Baia de gheață este o metodă obișnuită de calibrare a punctului fix pentru senzorii industriali. Echipamentul este ieftin, ușor de utilizat și poate găzdui mai mulți senzori simultan. Punctul de gheață este desemnat ca un standard secundar, deoarece precizia sa este de ± 0,005 ° C, comparativ cu ± 0,001 ° C pentru principalele puncte fixe.

Cele trei categorii principale de senzori RTD sunt folii subțiri și elemente de bobină. Deși aceste tipuri sunt cele mai utilizate pe scară largă în industrie, se folosesc alte forme mai exotice; de exemplu, rezistențele de carbon sunt utilizate la temperaturi extrem de scăzute (-173 ° C până la -273 ° C). Mai multe informatii.

Elemente de rezistență la carbon

Sunt ieftine și utilizate pe scară largă. Au rezultate reproductibile la temperaturi scăzute. Sunt cea mai fiabilă formă la temperaturi extrem de scăzute. Acestea nu sunt supuse unei histerezisuri mari sau a unui efect de deformare.

Elemente necontrolate

Utilizați o bobină de sârmă sprijinită minim într-o carcasă etanșă umplută cu gaz inert. Acești senzori funcționează până la 961,78 ° C și sunt utilizați în SPRT-uri care definesc ITS-90. Acestea sunt realizate din sârmă de platină înfășurată ușor pe o structură de susținere, astfel încât elementul să se extindă și să se contracte cu temperatura. Sunt foarte sensibili la șoc și vibrații, deoarece buclele de platină se pot legăna și deformează.

Elemente de film subțire

Au un element sensibil care se formează prin depunerea unui strat foarte subțire de material rezistiv, în mod normal platină, pe un substrat ceramic (placare). Acest strat are, în general, o grosime de 10 până la 100 ångströms (1 până la 10 nanometri). Acest film este apoi acoperit cu un material epoxidic sau sticlă care ajută la protejarea filmului depus și servește, de asemenea, ca un dispozitiv de detensionare a firelor conductoare exterioare. Dezavantajele de acest tip sunt că nu sunt la fel de stabile ca și omologii lor răniți. De asemenea, pot fi utilizate numai într-un interval limitat de temperatură, datorită diferitelor rate de expansiune ale substratului și a depunerii rezistive, oferind un efect vizibil de "deformare" asupra coeficientului de temperatură rezistiv. Aceste elemente funcționează la temperaturi de până la 300 ° C fără alte ambalaje, dar pot funcționa până la 600 ° C atunci când sunt încapsulate corespunzător în sticlă sau ceramică. Elementele speciale de temperatură ridicată RTD pot fi utilizate până la 900 ° C cu încapsularea potrivită.

Elemente înfășurate

poate avea o precizie mai mare, în special pentru intervale largi de temperatură. Diametrul bobinei oferă un compromis între stabilitatea mecanică și dilatarea firului pentru a minimiza tensiunile și deriva rezultată. Firul senzorial este înfășurat în jurul unei mandrine sau a unui miez izolator. Miezul înfășurării poate fi rotund sau plat, dar trebuie să fie un izolator electric. Coeficientul de dilatare termică a materialului miezului bobinei este asociat cu firul senzorial pentru a minimiza orice solicitare mecanică. Această solicitare a firului elementului va provoca o eroare de măsurare termică. Firul senzor este conectat la un fir mai mare, denumit de obicei firul sau elementul elementului. Acest fir este selectat pentru a fi compatibil cu firul senzorial, astfel încât combinația să nu genereze o forță electromotivă care să distorsioneze măsurarea termică.

Elemente înfășurate

Au înlocuit în mare măsură elementele bobinei din industrie. Acest design are o bobină de sârmă care se poate extinde liber peste temperatură, menținută pe loc de un suport mecanic, care permite bobinei să-și mențină forma. Acest design „fără stres” permite firului senzorial să se extindă și să se contracte fără influența altor materiale; în acest sens, este similar cu SPRT, principalul standard pe care se bazează ITS-90, oferind în același timp durabilitatea necesară utilizării industriale. Baza elementului senzitiv este o bobină mică de sârmă de detectare a platinei. Această bobină arată ca un filament într-un bec cu incandescență. Carcasa sau mandrina este un tub de oxid ceramic cu ardere tare, cu alezaje echidistante care se extind transversal spre axe. Bobina este introdusă în găurile mandrinei și apoi ambalată cu o pulbere ceramică măcinată foarte fin. Acest lucru permite firului senzorial să se miște în timp ce rămâne în contact termic bun cu procesul. Aceste elemente funcționează la temperaturi de până la 850 ° C.

Standardul internațional actual care specifică toleranța și relația dintre rezistența și rezistența electrică a termometrelor cu rezistență la platină este IEC 60751: 2008; ASTM E1137 este utilizat și în Statele Unite. Cele mai frecvent utilizate dispozitive din industrie au o rezistență nominală de 100 ohmi la 0 ° C și se numesc senzori Pt100 („Pt” este simbolul pentru platină, „100” este rezistența în ohmi la 0 ° C). De asemenea, este posibil să obțineți senzori Pt1000, unde 1000 este rezistența în ohmi la 0 ° C. Sensibilitatea unui senzor standard de 100 Ω este 0,385 Ω / ° C. RTD-uri cu o sensibilitate de 0,375 și 0,392 Ω / ° C, ca precum și multe altele, sunt de asemenea disponibile.

Utilizat în mod obișnuit cu SPRT-uri secundare și RTD-uri industriale. Termometrele calibrate sunt comparate cu termometrele calibrate folosind o baie cu o temperatură uniform stabilă. Spre deosebire de calibrările punctului fix, comparațiile pot fi făcute la orice temperatură între -100 ° C și 500 ° C. Această metodă ar putea fi mai rentabilă, deoarece mai mulți senzori pot fi calibrați simultan cu echipamente automate. Aceste băi încălzite electric și bine amestecate utilizează uleiuri de silicon și săruri topite ca mediu pentru diferitele temperaturi de calibrare.

Termometrele cu rezistență sunt construite într-o serie de forme și, în unele cazuri, oferă stabilitate, precizie și repetabilitate mai mari decât termocuplurile. În timp ce termocuplurile folosesc efectul Seebeck pentru a genera tensiune, termometrele cu rezistență utilizează rezistență electrică și necesită o sursă de alimentare pentru a funcționa. Rezistența variază în mod ideal aproape liniar cu temperatura în conformitate cu ecuația Callendar - Van Dusen.

Sârma de detectare a platinei trebuie menținută liberă de contaminare pentru a rămâne stabilă. Un fir sau o peliculă de platină este susținută pe un jig, astfel încât să se obțină o expansiune diferențială minimă sau o altă deformare a jigului său, rezistând în același timp la vibrații. Ansamblurile RTD din fier sau cupru sunt, de asemenea, utilizate în unele aplicații. Gradele comerciale de platină au un coeficient de rezistență la temperatură de 0,00385 / ° C (0,385% / ° C) (interval fundamental european). Senzorul este de obicei proiectat să aibă o rezistență de 100 Ω la 0 ° C. Aceasta este definită în BS EN 60751: 1996 (preluată din IEC 60751: 1995). Intervalul fundamental american este de 0,00392 / ° C, bazat pe utilizarea unui grad de platină mai pur decât standardul european. Standardul american provine de la SAMA (Scientific Apparatus Manufacturers Association), care nu se mai află în acest domeniu al standardelor.

Rezistența firului de plumb poate fi, de asemenea, un factor; Prin adoptarea a trei și patru conexiuni de sârmă, în loc de două fire, rezistența conexiunilor poate fi scăzută. Conexiunea cu trei fire este suficientă în majoritatea cazurilor și este o practică industrială aproape universală. Conexiunile cu patru fire sunt utilizate pentru cele mai precise aplicații.

Avantajele termometrelor cu rezistență la platină:

- Precizie ridicată

- Deriva scăzută

- Gama largă de funcționare

- Potrivit pentru aplicații de precizie

limite:

RTD-urile în aplicații industriale sunt rareori folosite peste 660 ° C. La temperaturi peste 660 ° C este din ce în ce mai dificil să se prevină contaminarea platinei cu impurități din învelișul metalic al termometrului. Acesta este motivul pentru care termometrele standard de laborator înlocuiesc teaca metalică cu o construcție din sticlă. La temperaturi foarte scăzute, de exemplu sub -270 ° C (3 K), din cauza deficitului de fononi, rezistența unui RTD este determinată în primul rând de impurități și împrăștiere la graniță și, prin urmare, este fundamental independentă de temperatură. Ca urmare, sensibilitatea CDT este în esență zero și, prin urmare, inutilă.

În comparație cu termistoarele, RTD-urile din platină sunt mai puțin sensibile la modificări mici de temperatură și au un timp de răspuns mai lent. Cu toate acestea, termistoarele au un interval de temperatură și stabilitate mai mici.

RTD vs termocupluri

Cele mai comune două metode de măsurare a temperaturii pentru aplicații industriale sunt detectoarele de temperatură de rezistență (RTD) și termocuplurile. Alegerea dintre ele este de obicei determinată de patru factori.

Temperatura

Dacă temperatura procesului este între -200 și 600 ° C (putem oferi senzori de platină până la 1000 ° C pentru nevoi specifice), RTD este cea mai potrivită opțiune. Termocuplurile au o gamă cuprinsă între -270 și 2 ° C.

Timp de raspuns

Dacă procesul necesită un răspuns foarte rapid la schimbările de temperatură, un termocuplu este cea mai bună alegere. Timpul de răspuns este măsurat prin scufundarea senzorului în apă care se deplasează cu 1 m / s. Timpul necesar pentru a atinge 63,2% din valoarea de referință corespunde timpului de răspuns.

Dimensiune

O teacă RTD standard are un diametru de la 1,5 mm la + 6 mm; diametrul învelișului termocuplului poate fi mai mic de 1,5 mm.

Cerințe de precizie și stabilitate

Dacă este acceptată o toleranță de 2 ° C și nu este necesar cel mai înalt nivel de repetabilitate, se va utiliza un termocuplu. RTD-urile sunt capabile de o precizie mai mare și își pot menține stabilitatea timp de mulți ani, în timp ce termocuplurile se pot deplasa în primele câteva ore de utilizare.

Aceste elemente necesită aproape întotdeauna conductoare izolate. PVC, cauciuc siliconic sau izolație PTFE sunt utilizate la temperaturi sub aproximativ 250 ° C. Peste aceasta, se utilizează fibră de sticlă sau ceramică. Punctul de măsurare și, în general, majoritatea conductoarelor, necesită o carcasă sau un manșon de protecție, adesea realizat dintr-un aliaj metalic chimic inert față de procesul de monitorizat. Selectarea și proiectarea învelișurilor de protecție pot necesita mai multă îngrijire decât senzorul în sine, deoarece acestea trebuie să reziste atacurilor chimice sau fizice și să ofere puncte de atașare convenabile.

Termometrele standard cu rezistență la platină (SPRT) sunt cea mai mare precizie a oricărui instrument PRT. Această precizie se realizează în detrimentul durabilității și al costurilor. Elementele SPRT sunt înfășurate din sârmă de platină de referință. Firele de plumb interne sunt de obicei platină, în timp ce suporturile interne sunt cuarț sau siliciu topit. Învelișurile sunt în general din cuarț. Se folosește un fir de platină cu diametru mai mare, care mărește costul și reduce rezistența senzorului (de obicei, 25,5 Ω). SPRT-urile au o gamă largă de temperatură (-200 ° C până la 1000 ° C) și o precizie de aproximativ ± 0,001 ° C peste intervalul de temperatură. SPRT-urile sunt adecvate numai pentru utilizare în laborator.

Termometrele standard cu rezistență la platină standard (SPRT) sunt o altă clasificare a PRT-urilor de laborator. Sunt construite ca SPRT, dar materialele sunt mai rentabile. SPRT-urile folosesc în mod obișnuit sârmă de platină de calitate superioară, cu puritate mai mică, jachete metalice și izolatoare de tip ceramic. Firele conductoare interne sunt în general un aliaj pe bază de nichel. SPRT-urile secundare sunt mai limitate în intervalul de temperatură (-200 ° C până la 500 ° C) și au o precizie aproximativă de ± 0,03 ° C pentru intervalul de temperatură.

PRT-urile industriale sunt proiectate să reziste mediilor industriale. Ele pot fi aproape la fel de durabile ca un termocuplu. În funcție de aplicație, PRT-urile industriale pot utiliza elemente subțiri sau cu bobină. Sârmele interne cu plumb pot varia de la cupru nichelat izolat cu PTFE până la sârmă argintie, în funcție de dimensiunea senzorului și de aplicație. Materialul învelișului este în general din oțel inoxidabil. Alte materiale sunt utilizate pentru aplicații specializate.

Configurație cu două fire

Cea mai simplă configurație a termometrului cu rezistență folosește două fire. Se folosește numai atunci când nu este necesară o precizie ridicată, deoarece rezistența firelor de conectare este adăugată la cea a senzorului, rezultând erori de măsurare. Această configurație permite utilizarea a 100 de metri de cablu. Acest lucru se aplică și podului echilibrat și sistemului fix de punte.

Pentru o punte echilibrată, setarea obișnuită este R2 = R1 și R3 în mijlocul intervalului RTD. Deci, de exemplu, dacă măsurăm între 0 și 100 ° C, rezistența RTD va fi între 100 Ω și 138,5 Ω. Am alege R1 = 120 Ω. Astfel obținem o mică tensiune măsurată în pod.

Configurare cu trei fire

Pentru a minimiza efectele rezistențelor conductorilor, poate fi utilizată o configurație cu trei fire. Setarea sugerată pentru configurația afișată este cu R1 = R2 și R3 în mijlocul intervalului RTD. Privind circuitul de punte Wheatstone prezentat, căderea de tensiune din partea stângă jos este V_rtd + V_lead și dimensiunea din dreapta jos pe V_R3 + V_lead, deci tensiunea podului (V_b) este diferența, V_rtd - V_R3. Căderea de tensiune datorată rezistenței cablului a fost anulată. Acest lucru se aplică în continuare dacă R1 = R2 și R1, R2 >> RTD, R3. R1 și R2 pot fi utilizate pentru a limita curentul prin RTD. De exemplu, pentru un PT100 limitat la 1 mA și 5 V, o rezistență limitativă aproximativă de R1 = R2 = 5 / 0,001 = 5 Ohmi.

Configurare cu patru fire

Configurația de rezistență cu patru fire mărește precizia măsurării rezistenței. Detectarea cu patru terminale elimină căderea de tensiune a cablurilor de testare ca o contribuție la eroare. Pentru a crește în continuare acuratețea, toate tensiunile termoelectrice reziduale generate de diferite tipuri de fire sau conexiuni cu șurub sunt îndepărtate inversând direcția curentului de 1 mA și atingând DVM-ul (voltmetru digital). Tensiunile termoelectrice vor fi produse numai într-o singură direcție. Prin media măsurătorilor inversate, tensiunile de eroare termoelectrice sunt suprimate.