RTD-lämpötila-antureiden perusteet

 

Lyhenne ”RTD” tarkoittaa ”Resistance Temperature Detector”. Tyypillisesti RTD: t sisältävät joko platina-, nikkeli- tai kuparilankoja, koska näiden materiaalien lämpötilakerroin on positiivinen. Tämä tarkoittaa, että lämpötilan nousu johtaa resistanssin kasvamiseen - tätä vastusmuutosta käytetään lämpötilamuutosten havaitsemiseen ja mittaamiseen.

 

Platinum-RTD: t

Platinum-RTD: t ovat yleisin teollisuussovelluksissa käytetty RTD-tyyppi. Tämä johtuu siitä, että platinalla on erinomainen korroosionkestävyys, erinomainen pitkäaikainen stabiilisuus ja se mittaa laajalla lämpötila-alueella (-200...+850°C).

 

Nikkeli RTD:t

Nikkeli-RTD: t ovat halvempia, kuin platina ja niillä on myös hyvä korroosionkestävyys. Nikkeli kuitenkin vanhenee nopeammin ajan myötä ja menettää tarkkuuden korkeissa lämpötiloissa. Nikkelianturien käyttö on rajoitettu lämpötila-alueelle -80...+260°C.

 

Kupari RTD:t

Kupari-RTD antureilla on paras vastus / lämpötilalineaarisuus näistä kolmesta RTD-tyypistä. Lisäksi kupari on edullista materiaalia. Kupari hapettuu kuitenkin korkeimmissa lämpötiloissa. Kupari anturien käyttö on rajoitettu lämpötila-alueelle -200…+260°C.

 

 

 

Minkälaisia RTD:t ovat rakenteeltaan?

Suurimmalla osalla RTD-antureista on seuraava rakenne: kierretyt RTD-vastuslankaelementit, kelatut RTD-elementit ja ohutkalvoiset RTD-elementit.

 

 

Kierretty RTD-vastuslankaelementti

 

 

Kierretyissä RTD-vastuslankaelementeissä vastuslanka on kierretty johtamattoman ytimen ympärille, joka on yleensä valmistettu keramiikasta. Anturivalmistaja leikkaa vastuslangan pituuden huolellisesti, jotta saavutetaan vaadittu vastus 0°C:ssa. Tätä kutsutaan “R₀”-resistanssiksi.

 

Seuraavaksi lyijylangat kiinnitetään vastuslankaan, ja sen jälkeen lasi- tai keraaminen päällyste levitetään langan päälle suojausta varten. Lämpötilan noustessa vastuslangan pituus kasvaa hieman. Suunnittelussa on huolehdittava siitä, ettei vastuslanka liiku tai sen muoto ei muutu lämpötilan noustessa. Tämä johtuu siitä, että mekaaninen rasitus aiheuttaa muutoksen langan kestävyydessä.

 

Kalibrointi- ja standardilaboratorioiden käyttämissä laboratoriolaatuisissa RTD-antureissa tämä virhelähde on eliminoitu kiertämällä vastuslanka löyhästi johtamattoman tukirakenteen ympärille. Tämän tyyppinen RTD on erittäin tarkka, mutta myös hauras, eikä siksi sovi teollisiin sovelluksiin.

 

 

Kelattu RTD-elementti 

 

 

Kelatussa elementissä RTD vastuslanka rullataan pieniksi keloiksi, jotka sopivat löyhästi keraamiseen muotoon, joka täytetään johtamattomalla jauheella. Vastuslanka voi vapaasti laajentua ja kutistua lämpötilan muuttuessa minimoiden mekaanisen rasituksen aiheuttamat virheet. Jauhe lisää lämmönsiirtonopeutta käämeihin parantaen siten vasteaikaa. Kelattujen elementtien RTD:t suojataan yleensä metallivaipalla ja niitä käytetään teollisissa sovelluksissa.

 

 

Ohutkalvo RTD-elementti

 

 

Ohutkalvoiset RTD-elemetit valmistetaan massatuotannolla ja maksavat vähemmän, kuin muut RTD-tyypit. Ne ovat pienempiä ja niiden reaktioaika on nopeampi kuin muiden, mikä on toivottavaa monissa sovelluksissa. Ne valmistetaan kerrostamalla ohut platinapinnoite keraamiselle pohjalle.

 

Valmistaja säätää elementin resistanssin 0°C:ssa leikkaamalla pinoitteeseen vastussiltoja lasersäteellä. Mitä enemmän siltoja leikataan, sitä suurempi vastus on 0°C:ssa. Ohutkalvoiset RTD:t eivät ole yhtä tarkkoja kuin muut tyypit, koska:

 

• R₀-vastusta ei voida säätää yhtä tarkasti kuin muissa tyypeissä.
• Keraamisella pohjalla ja platinapäällysteellä on hieman erilaiset laajenemisnopeudet. Tämä voi aiheuttaa jännitysvirheen korkeimmissa lämpötiloissa.
• Koska ohutkalvoiset RTD:t ovat pienempiä, RTD:lle syötetty anturivirta voi aiheuttaa hiukan suuremman virheen RTD:n itselämpenemisen johdosta.

 

 

RTD-vastussuhde

Termi ”resistanssisuhde” kuvaa lämpötilan keskimääräistä muutosta vastukseen nähden, kun RTD:n lämpötila muuttuu 0°C:sta +100°C:seen. Resistenssisuhteen lauseke on:

 

(R₁₀₀-R₀) / R₀

 

Missä:

R₁₀₀ = RTD-vastus 100°C:ssa.

R₀ = RTD-vastus 0°C:ssa.

 

Resistanssisuhteeseen vaikuttaa RTD:n valmistukseen käytetyn metallin tyyppi ja puhtaus. Yleisesti RTD:t, joilla on korkea R0-arvo yhdistettynä korkeaan vastussuhteeseen, on helpompi mitata tarkasti. Vastuslangassa käytetyn metallin muut ominaisuudet vaikuttavat kuitenkin RTD:n luontaiseen tarkkuuteen.

 

 

Teollisuussovelluksissa käytetyt platina RTD:t täyttävät yleensä IEC 60751 standardin vaatimukset. Näiden RTD-arvojen resistanssisuhde on (138,5 Ω - 100 Ω) / 100 Ω = 0,385 Ω / °C. Tyypillisissä teollisuuden sovelluksissa tämän tyyppinen RTD on suojattu asentamalla se ruostumattomasta teräksesta valmistettuun suojavaippaan.

 

Laboratorioluokan RTD-standardeissa käytetään puhtaampaa platinaa, jossa on korkeampi vastussuhde: (139,2 Ω - 100 Ω) / 100 Ω = 0,392 Ω / °C. Yli +670°C:n lämpötiloissa ruostumattomasta teräksestä vapautuvat metalli-ionit saastuttavat erittäin puhtaan platinan, muuttaen sen vastussuhdetta. Tästä syystä nämä RTD:t suojataan silikalasista tai platinasta valmistetulla sauvalla. Nämä sauvan materiaalit eivät reagoi korkeisiin lämpötiloihin ja siten suojaavat RTD:tä saastumiselta.

 

DIN 43760 standardin mukaisen nikkeli-RTD:n resistanssisuhde on (161,7805 Ω - 100 Ω) / 100 Ω = 0,618 Ω / °C. Yhdysvalloissa yleisesti käytettyjen nikkeli-RTD elementtien vastussuhde on (200,64 Ω - 120 Ω) / 120 Ω = 0,672 Ω / °C  (esitetty yllä olevassa kaaviossa).

 

Kupari-RTD elemennttejä[1] on saatavissa R₀ = 9,035 Ω tai 100 Ω. Molemmilla tyypeillä on 0,427 vastussuhde:

 

(12,897 Ω - 9,035 Ω) / 9,035 Ω = 0,427 Ω / °C.

(142,7 Ω – 100 Ω) / 100 Ω = 0,427 Ω / °C.

 

 

Nikkelin tai kuparin RTD-elementtien käytön edut

Nikkeli luo korkean vastuksen 0°C:ssa ja sillä on korkea vastussuhde, mikä tekee tästä herkästä RTD:stä helpon mitattavan. Nämä ominaisuudet minimoivat myös lyijylangan vastuksesta johtuvat virheet. RTD:n lyijyjohtimen resistanssista johtuva likimääräinen virhe on:

 

Lyijylangan vastus / (R₁₀₀-R₀) x 0,01

 

Esimerkiksi:

2-johdin nikkeli-RTD mittaa ilmakanavan lämpötilaa. Jokaisella lyijylangalla on vastus 0,25 Ω, lyijylangan kokonaisvastuksella 0,5 Ω.

 

Lyijylangan vastuksesta johtuva virhe voidaan sen vuoksi laskea seuraavasti:

0,5 Ω / (161,78 – 100) x 0,01 = 0,81°C. Tämä on riittävän lähellä monissa sovelluksissa.

 

Vertailun vuoksi, 2-jodin platina-RTD:n luvut, joilla on sama lyijyjohtimen vastus ovat:

0,5 Ω / (138,5 – 100) x 0,01 = 1,3°C.

 

Koska nikkelielementti on niin herkkä, voi edullinen ja alhaisen tarkkuuden lähetin mitata RTD:n hyväksyttävällä tarkkuudella. Nikkelielementtejä löytyy LVI- sekä muista hintakriittisistä sovelluksista.

 

Kupari-RTD : llä on sama lämpölaajenemisnopeus ja sähkömagneettinen hystereesi kuin kuparikäämityksillä, joita käytetään sähkömoottoreissa ja generaattoreissa. Näistä syistä kuparin RTD:tä käytetään joskus mittaamaan käämityksen lämpötilaa.

 

Kuparilla on myös erittäin lineaarinen lämpötila-vastussuhde. Tämän takia on mahdollista mitata tarkasti kapeaa lämpötila-aluetta ilman ylimääräistä linearisointia.

 

Esimerkiksi:

Cu100 RTD luo 100 Ω vastus 0°C:ssa ja 142,743 Ω vastus 100°C:ssa. Lineaarinen ekstrapolointi antaa teoreettisen vastuksen arvon 50°C:ssa: (R₁₀₀ – R₀)/2 + R₀

 

= (142,743 – 100)/2 + 100 = 121,3715 Ω

 

Julkaistun resistanssi vs. lämpötila-taulukoiden mukaan, RTD luo 121,3715 Ω vastuksen 50°C lämpötilassa, joten RTD on toiminnallisesti lineaarinen välillä 0…+100°C.

 

Kuparin epälineaarisuus ei ilmene, ellei mittata laajaa lämpötila-aluetta. Esimerkiksi, mitattaessa 0…+200°C, lineaarinen ekstrapolointi antaa teoreettisen vastuksen 100°C:ssa muodossa (185,675 - 100) / 2 + 100 = 142,838 Ω. Taulukoiden mukaan RTD-vastus 100°C:ssa on kuitenkin 142,743 Ω.

 

+0,095 Ω:n ero °C:ssa: 0,095 Ω / 0,427 Ω astetta kohti = +0,222°C virhe.

 

RTD-toleranssi

Suurin osa anturien valmistajista valmistaa Platina RTD:t tarkkuustasoilla, jotka täyttävät IEC 60751 tai ASTM E1137 RTD standardit.

 

IEC 60751 standardi määrittelee neljä tarkkuusluokkaa: luokka AA, A, B ja C. ASTM E1137 standardi määrittelee kaksi tarkkuusluokkaa: luokka A ja B.

 

Huomaa, että IEC 60751 määrittelee korkeimman mahdollisen lämpötila-alueen jokaiselle tarkkuusluokalle. Esimerkiksi luokan A anturilla, joka on varustettu kelatulla RTD-elementillä, on säilytettävä määritelty toleranssi välillä -100…+450°C. Tämän lämpötila-alueen ulkopuolella käytettäessä anturin tarkkuus saattaa olla oletusarvoltaan luokka B.

 

Anturien, jotka täyttävät ASTM E1137 luokan A tai luokan B toleranssin, on säilytettävä määritelty toleranssi -200…+650°C:n välillä.

 

Tämä taulukko näyttää lasketun toleranssin kullekin RTD-luokalle ja tasolle. Huomaa, että luokan C RTD:n toleranssi 600°C:ssa on ± 6,6°C. Suurin osa teollisuuden sovelluksista vaatii RTD:ltä luokan B tai sitä paremman toleranssin.

 

 

 

Seuraava kaavio esittää IEC60751 standardin mukaisen RTD:n toleranssin. Näemme, että RTD on tarkempi 0°C:n lämpötilassa ja sen virhe on suurempi lämpötilan kasvaessa tai sen ollessa kylmempi kuin 0°C.

 

 

 

Monet anturivalmistajat tarjoavat RTD-antureita, joiden toleranssi on parempi kuin luokka AA. Näiden erittäin tarkkojen RTD-anturien toleranssi kuvataan yleensä murto-osana luokan B toleranssia. Seuraavassa kaaviossa ”1/5 luokan B” RTD:n toleranssi on vain ± (0,06 + 0,001 ǀ t ǀ) välillä -30…150°C. Tämä toleranssi on viisi kertaa parempi kuin luokka B.

 

 

Callendar Van Dusen -yhtälöt

Callendar van Dusen -yhtälöt kuvaavat teollisuusmallin platina-RTD:n lämpötilan ja resistanssin suhdetta. Callendar van Dusen -yhtälöitä on kaksi:

 

Jos lämpötila on alle 0°C, RTD-vastus tietyssä lämpötilassa on:

Rt = R₀[1 + At + Bt² + C (t - 100) t³]

 

Jos lämpötila on ≥ 0°C, RTD-vastus tietyssä lämpötilassa on:

Rt = R₀(1 + At + Bt²)

 

Kertoimet A, B, C ja α, δ, β ovat yksilölliset kullekin RTD:lle. Seuraavat arvot koskevat IEC 60751 ja ASTM E1137 standardien mukaisia RTD-antureita:

 

A = 3,9083 x 10^-3

B = -5,775 x 10^-7

C = -4,183 x 10^-12

α = 3,85 x 10^-3 *

β = 1,5°C

δ = 0,1086

 

* “α” on “alfa” -vakio. Alfa on resistanssisuhde / 100:

α = (R₁₀₀ – R₀) / (100 x R₀).

IEC 60751 standardin mukaisen Platinum RTD:n alfa on:

(138,5 – 100) / (100 x 100)

= 0,00385

 

Nikkeli RTD:n alfa on:

0,672 / 100 = 0,00672.

 

Kupari-RTD:n alfa on:

0,427 / 100 = 0,00427.

 

RTD:n mallintaminen

Jopa korkealaatuiset RTD:t eivät vastaa tarkalleen IEC 60751 / ASTM E1137 R:T-käyrää. Mittaustarkkuuden parantamiseksi edelleen, kalibrointilaboratorio voi mallintaa RTD:n. Tämä tehdään mittaamalla huolellisesti RTD-vastus muutamassa eri lämpötilassa ja käyttämällä sitten näitä tietoja a-, δ-, β- ja A-, B- ja C-kertoimien laskemiseksi.

 

Nämä kertoimet voidaan ohjelmoida 5437, 5337, 6337 ja 6437 2-johdin HART-protokollan lähettimiin, joilla saadaan poikkeuksellisen tarkat mittausarvot.

 

Takaisin PR-tietokirjastoon

---

 

[1] HUOM. Cu100 RTD:llä on suurempi R₁₀₀-R₀ arvo ja sitä on helpompi mitata kuin Cu9.035 RTD:tä.