RTD-enheter – nyckeln till noggranna industriella temperaturmätningar

Vi börjar med det väsentliga

En RTD-temperaturgivare är en liten enhet som vanligtvis används för att utföra temperaturmätningar inom ett brett sortiment av industriella tillämpningar. “RTD” står för “Resistance Temperature Detector” (resistanstemperaturdetektor) och dessa typer av enheter är i allmänhet mer exakta och erbjuder större stabilitet än termoelement och andra temperatursonder när det gäller övervakning inom rekommenderade intervall.

Nu när vi har fastställt vad en RTD-enhet är, ska vi ta en titt på tre av de vanligaste typerna av RTD-enheter (RTD-enheter i platina, nickel och koppar) och vad det är som skiljer dem åt. 

RTD-enheter i platina

RTD's tillverkade av platina  identifieras av prefixet Pt, följt av ett nummer som anger det nominella motståndet vid 0°C, såsom Pt100

dessa är den vanligaste typen av RTD som används i industriella tillämpningar och av goda skäl. Detta eftersom platina har utmärkt korrosionsbeständighet, utmärkt långsiktig stabilitet och mäter ett brett temperaturintervall, (-200...+850°C). Dessa typer av RTD-enheter är dock det dyraste alternativet. 

RTD-enheter i nickel

Nickel RTD's identifieras av prefixet Ni följt av ett nummer som anger det nominella motståndet vid 0°C, såsom Ni120.

Dessa är billigare än platina och har god korrosionsbeständighet. Nickel åldras dock snabbare och förlorar sin noggrannhet vid högre temperaturer. Nickel är begränsat till ett mätområde på -80...+260°C.

RTD-enheter i koppar

Koppar RTD's identifieras av prefixet Cu följt av ett nummer som anger det nominella motståndet vid 0°C, såsom Cu10.

Dessa har den bästa linjäriteten mellan motstånd och temperatur av de tre RTD-typerna, och koppar är ett lågkostnadsmaterial. Koppar oxiderar dock vid högre temperaturer. Koppar är begränsat till ett mätområde på -200...+260°C.

Hur är RTD-enheter konstruerade? 

Det finns tre sätt att konstruera motståndstemperaturdetektorer: trådlindade RTD-enheter, RTD-enheter med spolelement och RTD-enheter med tunn film. Vi kommer att gå igenom alla sätt nedan.

Trådlindad RTD-enhet

Först ut har vi den trådlindade RTD-enheten. I detta fall, lindas en motståndstråd runt en icke-ledande kärna, som vanligtvis är gjord av keramik. Sensortillverkaren trimmar noggrant längden på motståndstråden för att uppnå det specificerade motståndet vid 0°C. Detta kallas "R0"-motstånd. 

Ledningsrådar fästs på motståndstråden och en ytbeläggning av glas eller keramik appliceras över tråden som skydd. I och med att temperaturen ökar så ökar även längden på motståndstråden. Man måste vara försiktig i konstruktionen för att säkerställa att motståndstråden inte vrids eller på annat sätt deformeras när temperaturen ökar. Detta beror på att mekanisk belastning orsakar en förändring i trådmotståndet.

Laboratorieklassade RTD-enheter och standardlaboratorier eliminerar denna felkälla genom att motståndstråden lindas löst runt en icke-ledande stödstruktur. Denna typ av RTD-enhet kan vara extremt noggrann men enheten är skör och inte lämpad för de flesta industriella applikationer.

RTD-enhet med spolelement 

Och slutligen tunnfilms-RTD:erna masstillverkas och kostar mindre än de andra RTD-typerna. Motståndstråden kan expandera och dras ihop i och med att temperaturen ändras. Detta minimerar risken för fel som orsakas av mekanisk belastning. Pulvret ökar hastigheten för värme som överförs till spolarna, vilket i sin tur förbättrar svarstiden. RTD-enheter med spolelement skyddas vanligtvis av en metallmantel och används inom industriella applikationer.

RTD-enhet med tunnfilm

RTD-enheter med tunnfilm är massproducerade och kostar mindre än de andra RTD-typerna. De är mindre och har en snabbare svarstid än de andra enheterna, vilket är önskvärt inom många applikationer. De tillverkas genom att man sätter in en tunn platinaväg på en keramikbas.

Tillverkaren justerar resistansen vid 0°C genom att öppna parallella shuntar i vägen med hjälp av en laserstråle. Ju fler shuntar man öppnar, desto högre är resistansen vid 0°C. RTD-enheterna med tunn film är inte lika exakta som de andra typerna eftersom:

• R₀ resistansen inte kan justeras lika noggrant som för de andra typerna.
• Keramikbasen och platinabeläggningen har något olika expansionshastigheter. Detta orsakar ett belastningsfel vid högre temperaturer.
• Eftersom RTD-enheterna med tunnfilm är mindre, orsakar RTD-enhetens excitationsström ett något högre fel på grund av att RTD-enheten självupphettas.

Trådkonfigurationer i RTD-enheter

Resistanstemperaturdetektor kan konfigureras i 2-tråds-, 3-tråds- eller 4-trådskonfigurationer, som var och en erbjuder olika fördelar:

• 2-trådskonfiguration: Detta är det enklaste och mest kostnadseffektiva alternativet och är lämpligt för korta avstånd där motståndet hos anslutningstrådarna inte påverkar noggrannheten avsevärt. Det används ofta i industriella tillämpningar där hög precision inte är avgörande.
  
  
• 3-trådskonfiguration: Detta är den mest använda konfigurationen som kompenserar för motståndet som läggs till av själva trådarna, vilket kan förvränga temperaturavläsningarna. Denna konfiguration är det föredragna valet för högre noggrannhet över måttliga avstånd.
  
  
• 4-trådskonfiguration: Detta alternativ ger den högsta noggrannheten genom att eliminera påverkan av trådmotståndet. Denna konfiguration är idealisk för precisionsmätningar i laboratorier och tillämpningar där exakt precision är avgörande.
  
  

Det är viktigt att förstå dessa konfigurationer för att kunna välja rätt RTD-konfiguration baserat på de specifika behoven för en tillämpning, samt för att balansera kostnader, bekvämlighet och noggrannhet.

TD-resistansförhållande

Begreppet “resistansförhållande” beskriver den genomsnittliga lutningen av temperatur kontra resistans i och med att RTD-temperaturen ändrar från 0°C till +100°C. Uttrycket för resistansförhållande är:

(R₁₀₀-R₀) / R₀

Där:

R₁₀₀ = RTD-resistans vid 100°C.

R₀ = RTD-resistans vid 0°C.

Resistansförhållandet påverkas av typen och renheten av metallen som används för att tillverka RTD-enheten. I allmänhet är RTD-enheter som har ett högt R0-värde i kombination med ett högt resistansförhållande enklare att mäta korrekt, men andra egenskaper hos metallen som används i motståndstråden påverkar fortfarande den inbyggda noggrannheten hos RTD-enheten.

RTD-enheter i platina som används inom industriella applikationer överrensstämmer i allmänhet med IEC 60751-standarden. Dessa RTD-enheter har ett resistansförhållande på (138,5 Ω - 100 Ω) / 100 Ω = 0,385 Ω / °C. I en typisk industriell applikation skyddas den här typen av RTD-enhet med hjälp av en mantel i rostfritt stål.

Laboratorieklassade RTD-standarder använder platina med högre renhet med ett högre resistansförhållande: (139,2 Ω - 100 Ω) / 100 Ω = 0,392 Ω / °C. Vid temperaturer över +670°C förorenar metalljoner som frigjorts från den rostfria stålsonden platinalegeringen med hög renhet, vilket ändrar dess resistansförhållande. Av denna orsak skyddas dessa RTD-enheter av en sond tillverkad av kiseldioxidglas eller platina. Dessa sondmaterial förblir tröga vid höga temperaturer, vilket gör att RTD-enheten förblir oförorenad.

RTD-enheter i nickel som överensstämmer med DIN 43760, har ett resistansförhållande på (161,7805 Ω – 100 Ω) / 100 Ω = 0,618 Ω / °C. RTD-enheter i nickel som vanligtvis används i USA har ett resistansförhållande på (200,64 Ω – 120 Ω) / 120 Ω = 0,672 Ω / °C  (visas i grafen ovan).

RTD-enheter i koppar[1] finns tillgängliga med R₀ = 9,035 Ω or 100 Ω. Båda typerna har ett resistansförhållande på 0,427:

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

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

RTD-enheter i nickel eller koppar? Fördelarna för var och en av dessa 

Nickel skapar en hög resistans vid 0°C och har ett högt resistansförhållande, vilket gör denna känsliga RTD-enhet enkel att mäta. Dessa kvaliteter minimerar även fel på grund av ledningstrådmotstånd. För en RTD-enhet är det ungefärliga felet på grund av ledningstrådmotstånd:

ledningstrådmotstånd / (R₁₀₀-R₀) x 0,01

Till exempel:

En 2-tråds RTD-enhet i nickel mäter temperaturen i en luftkanal. Varje ledningstråd har en resistans på 0,25 Ω, för ett totalt ledningstrådmotstånd på 0,5 Ω.

Felet på grund av ledningstrådmotståndet kan därmed beräknas enligt följande:

0,5 Ω / (161,78 – 100) x 0,01 = 0,81°C. Detta är tillräckligt exakt för många applikationer.

För jämförelse har vi siffrorna för en 2-tråds RTD-enhet i platina med samma ledningstrådmotstånd:

0,5 Ω / (138,5 – 100) x 0,01 = 1,3°C.

Eftersom en RTD-enhet i nickel är så känslig, kan en billig transmitter med låg precision mäta RTD-enheten med godtagbar noggrannhet. Det går att hitta RTD-enheter i nickel i HVAC-applikationer och andra priskänsliga applikationer.

RTD-enheter i koppar har samma termiska expansionshastighet och elektromagnetiska hysteres som kopparlindningar som används i elmotorer och generatorer. Av denna orsak används RTD-enheter i koppar ibland för att mäta lindningstemperatur.

Koppar har även ett extremt linjärt temperatur kontra resistansförhållande. I och med detta är det möjligt att mäta ett smalt temperaturintervall noggrant utan extra linjärisering.

Till exempel:

En Cu100 RTD skapar en resistans på 100 Ω vid 0°C och en resistans på 142,743 Ω vid 100°C. En linjär extrapolering ger den teoretiska resistansen vid 50°C: (R₁₀₀ – R₀)/2 + R₀

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

Enligt publicerade "resistans kontra temperatur”-tabeller, skapar RTD-enheten en resistans på 121,3715 Ω vid 50°C, vilket innebär att RTD-enheten är funktionellt linjär mellan 0...+100°C.

Icke-linjäriteten hos koppar blir inte uppenbar såvida man inte mäter ett brett intervall. Till exempel om man mäter 0...+200°C, ger en linjär extrapolering den teoretiska resistansen vid 100°C eftersom (185,675 – 100) / 2 + 100 = 142,838 Ω. Enligt tabellerna är RTD-resistansen vid 100°C dock 142,743 Ω.

En skillnad på +0,095 Ω i °C: 0,095 Ω / 0,427 Ω per grader = ett fel på +0,222°C.

RTD-tolerans

De flesta givartillverkarna gör RTD-enheter i platina med noggrannhetsnivåer som överensstämmer med RTD-standarderna IEC 60751 eller ASTM E1137.

IEC 60751-standarden definierar fyra toleransklasser: Klass AA, A, B och C. ASTM E1137-standarden definierar två toleransgrader: Grad A och B.

Observera att IEC 60751 specificerar ett max. temperaturområde för varje klass. Till exempel måste en klass A-givare utrustad med en RTD-enhet med spolelement bibehålla den specificerade toleransen från -100–+450°C. Vid drift utanför detta temperaturområde kan det hända att givarens noggrannhet övergår till klass B.

Givare som uppfyller ASTM E1137 grad A- eller grad B-tolerans måste bibehålla den specificerade toleransen från -200...+650°C.

Denna tabell visar den beräknade toleransen för varje RTD-klass och -grad. Observera att RTD-enheter i klass C har en bred tolerans på ±6,6°C vid 600°C. De flesta industriella applikationerna kräver RTD-enheter med klass B eller bättre tolerans.

Följande graf visar RTD-enheter med toleranser som överensstämmer med IEC60751. Du kan se att RTD-enheterna är som mest exakta vid 0°C och uppvisar ett större fel när temperaturen blir varmare eller kallare än 0°C.