Zadzwoń: + 33 2 33 61 16 70
Sonda i czujnik rezystancyjny

Rezystancyjny czujnik temperatury

Czujniki rezystancyjne (RTD) są zaprojektowane przy użyciu cienkiego drutu nadrukowanego na prostokątnej płycie ceramicznej lub owiniętego wokół rdzenia ceramicznego lub szklanego. Drut to czysty materiał, zwykle platyna, nikiel lub miedź. Materiał ma dokładną zależność rezystancji/temperatury, która służy do wskazywania temperatury. Ponieważ elementy RTD są delikatne, często umieszcza się je w plastikowym lub metalowym przedmiocie, tworząc sondę temperatury.

Zależność oporu / temperatury metali

Typowe elementy czujnikowe RTD wykonane z platyny, miedzi lub niklu wykazują powtarzalną zależność odporności na temperaturę (R / T) i zakres temperatur roboczych. Zależność R / T jest definiowana jako wielkość zmiany rezystancji czujnika na stopień zmiany temperatury. Względna zmiana rezystancji (współczynnik oporu cieplnego) zmienia się bardzo nieznacznie w użytecznym zakresie czujnika.

1% 20bis.jpg

Platynę zaproponowano na konferencji Bakerian w 1871 roku: jest to metal szlachetny, który wykazuje najbardziej stabilną zależność rezystancji od temperatury w najszerszym zakresie temperatur. Pierwiastki niklowe mają ograniczony zakres temperatur, ponieważ R / T staje się nieliniowy w temperaturach powyżej 300 ° C. Miedź ma bardzo liniową zależność rezystancji od temperatury; jednak miedź utlenia się w umiarkowanych temperaturach i nie może być używana powyżej 150 ° C.

Istotną cechą metali stosowanych jako elementy rezystancyjne jest liniowe przybliżenie zależności rezystancja-temperatura w zakresie od 0 do 100 ° C.Ten współczynnik temperaturowy rezystancji oznaczany jest jako α i jest zwykle podawany w jednostkach Ω / (Ω ° C):

  = (R100-R0) / (100°C.R0)



R0 to rezystancja czujnika przy 0 ° C,

R100 to rezystancja czujnika przy 100 ° C.

Do budowy laboratoryjnych czujników rezystancyjnych stosowana jest czysta platyna a α = 0,003925 Ω/(Ω°C) w zakresie od 0 do 100°C. Odwrotnie, dwie uznane normy dla przemysłowych RTD IEC 60751 i ASTM E-1137 określają α = 0,00385 Ω / (Ω · ° C). Przed powszechnym przyjęciem tych standardów stosowano kilka różnych wartości α. Nadal można znaleźć starsze czujniki platynowe o α = 0.003916 Ω / (Ω · ° C) i 0.003902 Ω / (Ω · ° C).

Te różne wartości α dla platyny uzyskuje się przez domieszkowanie poprzez ostrożne wprowadzenie zanieczyszczeń do platyny. Zanieczyszczenia wprowadzone podczas domieszkowania zatapiają się w strukturze sieciowej platyny i prowadzą do innej krzywej R vs T, a tym samym do wartości α.

Kalibracja

2_2.pngKalibracja punktu stałego Aby scharakteryzować zależność R vs T dowolnego RTD w zakresie temperatur reprezentującym zamierzony zakres użytkowania, kalibrację należy przeprowadzać w temperaturach innych niż 0 ° C i 100 ° C. Jest to konieczne, aby spełnić wymagania kalibracji. Chociaż uważa się, że RTD działają liniowo, należy udowodnić, że są dokładne w odniesieniu do temperatur, w których będą faktycznie używane. Typowe metody kalibracji to metoda punktów stałych i metoda porównawcza.

Służy do kalibracji o najwyższej precyzji przez laboratoria metrologiczne. Wykorzystuje punkt potrójny, temperaturę zamarzania lub temperaturę topnienia czystych substancji, takich jak woda, cynk, cyna i argon, aby wytworzyć znaną i powtarzalną temperaturę. Komórki te pozwalają użytkownikowi odtworzyć rzeczywiste warunki skali temperaturowej ITS-90. Kalibracje punktu stałego zapewniają niezwykle dokładną kalibrację (do ± 0,001 ° C). Łaźnia lodowa jest powszechną metodą kalibracji punktu stałego dla czujników klasy przemysłowej. Sprzęt jest niedrogi, łatwy w użyciu i może pomieścić wiele czujników jednocześnie. Punkt lodowy jest wyznaczony jako wzorzec wtórny, ponieważ jego dokładność wynosi ± 0,005 ° C, w porównaniu z ± 0,001 ° C dla głównych punktów stałych.

Kalibracje porównawcze

Powszechnie używane z wtórnymi SPRT i przemysłowymi RTD. Kalibrowane termometry porównuje się z termometrami kalibrowanymi przy użyciu kąpieli o jednakowo stabilnej temperaturze. W przeciwieństwie do kalibracji z punktem stałym, porównania można wykonywać w dowolnej temperaturze od -100 ° C do 500 ° C. Ta metoda może być bardziej opłacalna, ponieważ wiele czujników można kalibrować jednocześnie za pomocą zautomatyzowanego sprzętu. Te podgrzewane elektrycznie i dobrze mieszane kąpiele wykorzystują oleje silikonowe i stopione sole jako medium dla różnych temperatur kalibracji.

Jakie są rodzaje elementów rezystancyjnych?

Trzy główne kategorie czujników RTD to elementy cienkowarstwowe i cewki. Chociaż te typy są najszerzej stosowane w przemyśle, stosowane są inne, bardziej egzotyczne formy; na przykład rezystory węglowe są używane w ekstremalnie niskich temperaturach (od -173°C do -273°C). Więcej informacji.

Elementy odporne na węgiel

Są niedrogie i szeroko stosowane. Dają powtarzalne wyniki w niskich temperaturach. Są najbardziej niezawodną formą w ekstremalnie niskich temperaturach. Nie podlegają działaniu dużej histerezy ani tensometru.

Elementy niezwiązane

Użyj szpuli drutu, która jest minimalnie podparta w szczelnej obudowie wypełnionej gazem obojętnym. Czujniki te działają do 961,78 ° C i są używane w SPRT, które definiują ITS-90. Wykonane są z drutu platynowego lekko zwiniętego na konstrukcji wsporczej, dzięki czemu element może swobodnie rozszerzać się i kurczyć pod wpływem temperatury. Są bardzo wrażliwe na wstrząsy i wibracje, ponieważ platynowe loki mogą się kołysać i wypaczać.

Elementy z cienkiej folii

Mają czuły element, który jest utworzony przez osadzenie bardzo cienkiej warstwy materiału oporowego, zwykle platyny, na ceramicznym podłożu (platerowanie). Ta warstwa ma zwykle grubość od 10 do 100 ångströms (1 do 10 nanometrów). Folia ta jest następnie powlekana żywicą epoksydową lub szkłem, które pomagają chronić osadzoną folię, a także służą jako odciążenie naprężeń dla zewnętrznych drutów przewodzących. Wadą tego typu jest to, że nie są tak stabilne, jak ich odpowiedniki na rany. Można je również stosować tylko w ograniczonym zakresie temperatur ze względu na różne szybkości rozszerzania się podłoża i osadzanie rezystancyjne dające widoczny efekt „tensometryczny” na rezystancyjny współczynnik temperaturowy. Elementy te działają w temperaturach do 300 ° C bez dodatkowego pakowania, ale mogą działać do 600 ° C, gdy są odpowiednio zamknięte w szkle lub ceramice. Specjalne wysokotemperaturowe elementy RTD mogą być używane do 900 ° C przy odpowiedniej obudowie.

Elementy zwijane

może mieć większą precyzję, szczególnie w szerokich zakresach temperatur Średnica szpuli zapewnia kompromis między stabilnością mechaniczną a rozszerzalnością drutu w celu zminimalizowania naprężeń i wynikającego z nich znoszenia. Drut czujnikowy jest owinięty wokół trzpienia lub izolującego rdzenia. Rdzeń uzwojenia może być okrągły lub płaski, ale musi być izolatorem elektrycznym. Współczynnik rozszerzalności cieplnej materiału rdzenia cewki jest dopasowany do drutu czujnikowego, aby zminimalizować wszelkie naprężenia mechaniczne. To naprężenie drutu elementu spowoduje błąd pomiaru termicznego. Przewód czujnikowy jest podłączony do większego przewodu, zwykle nazywanego przewodem lub elementem elementu. Ten przewód jest wybrany tak, aby był kompatybilny z przewodem czujnikowym, tak aby kombinacja nie generowała siły elektromotorycznej, która zniekształciłaby pomiar termiczny.

Elementy zwijane

W przemyśle w dużej mierze wymieniły elementy cewek. Konstrukcja ta ma szpulę drutu, która może swobodnie rozszerzać się pod wpływem temperatury, utrzymywaną na miejscu przez podporę mechaniczną, która pozwala szpuli zachować swój kształt. Ta „wolna od naprężeń” konstrukcja umożliwia rozszerzanie i kurczenie się drutu czujnika bez wpływu innych materiałów; pod tym względem zbliżony jest do SPRT, głównej normy, na której bazuje ITS-90, zapewniając jednocześnie trwałość niezbędną do zastosowań przemysłowych. Podstawą elementu czujnikowego jest mała cewka z platynowego drutu czujnikowego. Ta cewka wygląda jak żarnik w żarowej żarówce. Obudowa lub trzpień jest rurą z twardego tlenku ceramicznego z równo oddalonymi otworami, które rozciągają się poprzecznie do osi. Cewkę umieszcza się w otworach trzpienia, a następnie wypełnia bardzo drobno zmielonym proszkiem ceramicznym. Pozwala to na poruszanie się przewodu czujnika pozostając w kontakcie termicznym z procesem. Elementy te działają w temperaturach do 850 ° C.

Obecna norma międzynarodowa określająca tolerancję i związek między rezystancją a oporem elektrycznym platynowych termometrów oporowych to IEC 60751: 2008; ASTM E1137 jest również używany w Stanach Zjednoczonych. Najczęściej używane w przemyśle urządzenia mają nominalną rezystancję 100 omów przy 0 ° C i są nazywane czujnikami Pt100 („Pt” to symbol platyny, „100” to rezystancja w omach przy 0 ° C). Można również uzyskać czujniki Pt1000, gdzie 1000 to rezystancja w omach przy 0 ° C. Czułość standardowego czujnika 100 Ω wynosi 0,385 Ω / ° C. RTD o czułości 0,375 i 0,392 Ω / ° C, jak jak również wiele innych, są również dostępne.

Jak działa czujnik oporu?

Termometry oporowe są konstruowane w wielu formach iw niektórych przypadkach oferują większą stabilność, dokładność i powtarzalność niż termopary. Podczas gdy termopary wykorzystują efekt Seebecka do generowania napięcia, termometry oporowe wykorzystują opór elektryczny i do działania wymagają źródła zasilania. Opór idealnie zmienia się prawie liniowo wraz z temperaturą zgodnie z równaniem Callendara - Van Dusena.

Platynowy przewód czujnikowy musi być wolny od zanieczyszczeń, aby był stabilny. Drut lub folia platynowa jest podtrzymywana na uchwycie tak, aby uzyskać minimalne zróżnicowane rozszerzanie lub inne odkształcenia jego uchwytu, przy jednoczesnym rozsądnym przeciwdziałaniu drganiom. W niektórych zastosowaniach stosowane są również żelazne lub miedziane zespoły RTD. Handlowe gatunki platyny mają współczynnik odporności na temperaturę 0,00385 / ° C (0,385% / ° C) (europejski podstawowy przedział). Czujnik jest zwykle zaprojektowany tak, aby miał rezystancję 100 Ω przy 0 ° C. Jest to zdefiniowane w BS EN 60751: 1996 (zaczerpnięte z IEC 60751: 1995). Podstawowy przedział amerykański wynosi 0,00392 / ° C, w oparciu o czystszą klasę platyny niż norma europejska. Amerykański standard pochodzi od SAMA (Scientific Apparatus Manufacturers Association), którego nie ma już w tym obszarze norm.

Opór przewodu ołowianego może być również czynnikiem; Przyjmując połączenia trzy- i czteroprzewodowe zamiast dwóch, można odjąć rezystancję tych połączeń. Połączenie trójprzewodowe jest wystarczające w większości przypadków i jest prawie uniwersalną praktyką przemysłową. Do najbardziej precyzyjnych zastosowań stosowane są połączenia czteroprzewodowe.

Zalety i ograniczenia

Zalety platynowych termometrów oporowych:

- Wysoka celność

- Niski dryf

- Szeroki zakres działania

- Nadaje się do zastosowań precyzyjnych

Ograniczenia:

Czujniki RTD w zastosowaniach przemysłowych są rzadko używane powyżej 660 ° C. W temperaturach powyżej 660 ° C coraz trudniej jest zapobiec zanieczyszczeniu platyny zanieczyszczeniami z metalowej osłony termometru. Z tego powodu standardowe termometry laboratoryjne zastępują metalową osłonę konstrukcją szklaną. W bardzo niskich temperaturach, na przykład poniżej -270 ° C (3 K), z powodu niedoboru fononów, rezystancja RTD jest określana głównie przez zanieczyszczenia i rozpraszanie graniczne, a zatem jest zasadniczo niezależna od temperatury. W rezultacie czułość RTD jest zasadniczo zerowa, a zatem niepotrzebna.

W porównaniu z termistorami, platynowe czujniki RTD są mniej wrażliwe na niewielkie zmiany temperatury i mają wolniejszy czas odpowiedzi. Jednak termistory mają mniejszy zakres temperatur i stabilność.

RTD a termopary

Dwie najpopularniejsze metody pomiaru temperatury w zastosowaniach przemysłowych to rezystancyjne czujniki temperatury (RTD) i termopary. O wyborze między nimi decydują zwykle cztery czynniki.

Temperatura

Jeśli temperatura procesu mieści się w zakresie od -200 do 600 °C (dla konkretnych potrzeb możemy zaoferować czujniki Platinum do 1000 °C), najbardziej odpowiednią opcją jest RTD. Termopary mają zakres od -270 do 2 ° C.

Czas odpowiedzi

Jeśli proces wymaga bardzo szybkiej reakcji na zmiany temperatury, najlepszym wyborem jest termopara. Czas odpowiedzi mierzy się zanurzając czujnik w wodzie poruszającej się z prędkością 1 m / s. Czas wymagany do osiągnięcia 63,2% wartości zadanej odpowiada czasowi odpowiedzi.

Rozmiar

Standardowa osłona RTD ma średnicę od 1,5 mm do + 6 mm; średnice osłony termopary mogą być mniejsze niż 1,5 mm.

Wymagania dotyczące dokładności i stabilności

Jeśli tolerancja 2 ° C jest akceptowalna, a najwyższy poziom powtarzalności nie jest wymagany, zostanie zastosowana termopara. RTD mają większą dokładność i mogą zachować stabilność przez wiele lat, podczas gdy termopary mogą dryfować w ciągu pierwszych kilku godzin użytkowania.

Budowa

Te elementy prawie zawsze wymagają izolowanych przewodów. Izolację z PVC, kauczuku silikonowego lub PTFE stosuje się w temperaturach poniżej około 250 ° C. Powyżej stosuje się włókno szklane lub ceramikę. Punkt pomiarowy i ogólnie większość przewodników wymagają osłony lub tulei ochronnej, często wykonanej ze stopu metalu chemicznie obojętnego dla monitorowanego procesu. Wybór i konstrukcja osłon ochronnych może wymagać więcej uwagi niż sam czujnik, ponieważ muszą one być odporne na działanie chemiczne lub fizyczne i zapewniać wygodne punkty mocowania.

Konfiguracje okablowania

Konfiguracja dwuprzewodowa

Najprostsza konfiguracja termometru rezystancyjnego wykorzystuje dwa przewody. Jest używany tylko wtedy, gdy nie jest wymagana wysoka dokładność, ponieważ rezystancja przewodów łączących zwiększa się do rezystancji czujnika, powodując błędy pomiaru. Taka konfiguracja pozwala na użycie 100 metrów kabla. Dotyczy to również mostu zbalansowanego i systemu mostów stałych.

W przypadku mostka zbalansowanego typowe ustawienie to R2 = R1 i R3 w środku zakresu RTD. Na przykład, jeśli mierzymy od 0 do 100 ° C, rezystancja RTD będzie wynosić od 100 Ω do 138,5 Ω. Wybralibyśmy R1 = 120 Ω. W ten sposób otrzymujemy małe napięcie zmierzone w mostku.

Konfiguracja trójprzewodowa

W celu zminimalizowania skutków rezystancji przewodów można zastosować konfigurację trójprzewodową. Sugerowane ustawienie dla pokazanej konfiguracji to R1 = R2 i R3 w środku zakresu RTD. Patrząc na pokazany obwód mostka Wheatstone'a, spadek napięcia na dole po lewej stronie to V_rtd + V_lead, a prawy dolny rozmiar na V_R3 + V_lead, więc napięcie mostka (V_b) jest różnicą, V_rtd - V_R3. Spadek napięcia spowodowany rezystancją kabla został zlikwidowany. Ma to nadal zastosowanie, jeśli R1 = R2 i R1, R2 >> RTD, R3. R1 i R2 mogą być użyte do ograniczenia prądu płynącego przez RTD. Na przykład dla PT100 z ograniczeniem do 1 mA i 5 V, przybliżona rezystancja ograniczająca R1 = R2 = 5 / 0,001 = 5 Ohm.

Konfiguracja czteroprzewodowa

Czteroprzewodowa konfiguracja rezystancji zwiększa dokładność pomiaru rezystancji. Czterozaciskowe wykrywanie eliminuje spadek napięcia na przewodach pomiarowych jako przyczynę błędu. Aby jeszcze bardziej zwiększyć dokładność, wszystkie resztkowe napięcia termoelektryczne generowane przez różne typy przewodów lub połączeń śrubowych są usuwane przez odwrócenie kierunku prądu 1 mA i odczepów do DVM (woltomierz cyfrowy). Napięcia termoelektryczne będą wytwarzane tylko w jednym kierunku. Poprzez uśrednienie odwróconych pomiarów, napięcia błędów termoelektrycznych są tłumione.

Klasyfikacje BRT

Standardowe platynowe termometry rezystancyjne (SPRT) to najwyższa dokładność spośród wszystkich narzędzi PRT. Ta precyzja jest osiągana kosztem trwałości i kosztów. Elementy SPRT nawinięte są z referencyjnego drutu platynowego. Wewnętrzne przewody ołowiane są zwykle platynowe, podczas gdy wewnętrzne wsporniki są wykonane z kwarcu lub topionej krzemionki. Osłony są zazwyczaj wykonane z kwarcu. Zastosowano drut platynowy o większej średnicy, co zwiększa koszt i zmniejsza rezystancję czujnika (zwykle 25,5 Ω). SPRT mają szeroki zakres temperatur (-200 ° C do 1000 ° C) i dokładność około ± 0,001 ° C w całym zakresie temperatur. SPRT nadają się tylko do użytku laboratoryjnego.

Platynowe termometry oporowe (SPRT) to kolejna klasyfikacja laboratoryjnych PRT. Są zbudowane jak SPRT, ale materiały są bardziej opłacalne. W SPRT powszechnie stosuje się drut platynowy o wyższej jakości i niższej czystości, metalowe osłony i izolatory ceramiczne. Wewnętrzne druty przewodzące są zwykle wykonane ze stopu na bazie niklu. Wtórne SPRT są bardziej ograniczone w zakresie temperatur (od -200 ° C do 500 ° C) i mają przybliżoną dokładność ± 0,03 ° C dla zakresu temperatur.

Przemysłowe PRT są zaprojektowane tak, aby wytrzymać środowiska przemysłowe. Mogą być prawie tak trwałe jak termopara. W zależności od zastosowania przemysłowe PRT mogą wykorzystywać elementy cienkowarstwowe lub zwijane. Wewnętrzne przewody doprowadzające mogą być różne, od skrętki z niklowanej miedzi w izolacji PTFE do drutu srebrnego, w zależności od rozmiaru czujnika i zastosowania. Materiał osłony to na ogół stal nierdzewna. Inne materiały są używane do specjalistycznych zastosowań.

Szukasz informacji o czujnikach Pt100 i Pt1000? Przejdź bezpośrednio do dedykowanej strony!