Nhược điểm của đầu dò nhiệt độ điện trở


Đầu báo nhiệt độ điện trở (RTD), là các cảm biến được sử dụng để đo nhiệt độ. Nhiều RTD các phần tử bao gồm chiều dài của dây mảnh quấn quanh lõi gốm hoặc thủy tinh nhưng các công trình khác cũng được sử dụng.

Các RTD dây là một vật liệu tinh khiết, điển hình là bạch kim, niken hoặc đồng.

Vật liệu này có mối quan hệ điện trở / nhiệt độ chính xác được sử dụng để cung cấp chỉ dẫn về nhiệt độ. Vì các yếu tố RTD rất mong manh, chúng thường được đặt trong các đầu dò bảo vệ.

Sau đây là những nhược điểm chính của Máy dò nhiệt độ điện trở là:

Tự sưởi ấm

Năng lượng nhiệt được tạo ra trong khi áp dụng dòng điện để kích thích phần tử RTD để đo tín hiệu của nó.

Việc tự sưởi ấm xảy ra sẽ dẫn đến lỗi trong đo nhiệt độ. Vì RTD thay đổi điện trở của nó để đáp ứng với nhiệt độ, cách thực tế nhất để đo nó là truyền dòng điện qua nó và đo điện áp rơi.

Thật không may, dòng điện kích thích này đi qua điện trở phần tử làm tăng nhiệt độ phần tử khi nó cố gắng tiêu tán năng lượng điện này thông qua nhiệt, thêm lỗi vào phép đo nhiệt độ của chúng tôi.

Cách để chống lại sự dịch chuyển tích cực do tự sưởi ấm là tăng tiếp xúc nhiệt với vật liệu chúng ta đang cảm nhận và / hoặc giảm dòng điện kích thích.

Tự sưởi ấm của một Cảm biến RTD thường được biểu thị bằng mW / ° C, trong đó đề cập đến công suất cần thiết để tăng nhiệt độ phần tử bên trong 1 ° C. Do đó, con số này càng cao, khả năng tự sưởi ấm sẽ càng thấp.

Ví dụ, giả sử rằng 2mA dòng kích thích được sử dụng để điều khiển RTD bạch kim 100Ω ở 100 ° C. Điều này tạo ra điện trở cảm biến 138,5Ω. Thông số kỹ thuật tự sưởi ấm của nó là 50mW / ° C trong nước di chuyển với tốc độ 1m / giây.

Do đó, lượng nhiệt được tạo ra bởi cấu hình này là 1000mW / W * I2* R = 1000 * (0,002A)2 * 138,5Ω = 0,55mW.

Điều này dẫn đến lỗi tự sưởi ấm chỉ (0,55mW) / (50mW / ° C) = 0,01 ° C.

Điều quan trọng cần lưu ý là khả năng tự làm nóng hiệu quả của một yếu tố phụ thuộc mạnh mẽ vào môi trường mà nó được ngâm.

Ví dụ, RTD có thể tự làm nóng không khí cao hơn 100 lần so với trong nước di chuyển mà thông số kỹ thuật này áp dụng.

Bởi vì chúng tôi đo điện trở RTD bằng cách vẽ dòng điện qua nó, I2Công suất R bị tiêu tán bởi RTD gây ra sự tự làm nóng của phần tử.

Tự sưởi ấm sẽ thay đổi RTD điện trở và ổ đĩa tăng lỗi trong phép đo.

Tác động tiêu cực của tự sưởi ấm có thể được giảm thiểu bằng cách cung cấp dòng điện kích thích thấp hơn.

Một số thiết bị sẽ sử dụng dòng kích thích RTD xuống đến 0,1mA để giảm thiểu lỗi này.

Trong ví dụ trên, điều này sẽ làm giảm khả năng tự sưởi ấm xuống ~ 0,001mW / 50mW / ° C = 0,00003 ° C, một lượng không đáng kể, ngay cả trong không khí tĩnh.

Độ lớn của lỗi này tỷ lệ nghịch với công suất của phần tử cảm biến để tản nhiệt. Đây là một sản phẩm của vật liệu, xây dựng và môi trường của nó.

Các phần tử RTD thân nhỏ sẽ có hiệu ứng tự sưởi ấm cao hơn vì chúng có diện tích bề mặt nhỏ hơn để tản nhiệt.

Có lẽ trường hợp xấu nhất sẽ là một RTD màng mỏng thường có khả năng chịu nhiệt cao và diện tích bề mặt nhỏ tương ứng để tản nhiệt.

Thông thường, một hằng số tản được cung cấp trong Cảm biến RTD thông số kỹ thuật. Con số này liên quan đến công suất cần thiết để tăng nhiệt độ RTD thêm một độ nhiệt độ.

Do đó, hằng số phân tán 25mW / ° C cho thấy rằng nếu tôi2Mất điện R trong RTD bằng 25 mW, sau đó RTD sẽ được làm nóng thêm 1 ° C.

Hằng số phân tán thường được chỉ định trong hai điều kiện: không khí tự do và bể dầu được khuấy đều. Điều này là do sự khác biệt về công suất của phương tiện để mang nhiệt ra khỏi thiết bị.

Sự gia tăng nhiệt độ tự sưởi ấm có thể được tìm thấy từ năng lượng tiêu tan bởi RTD và hằng số tiêu tán thông qua:

ΔT = P / PD

Trong đó T = tăng nhiệt độ vì tự sưởi ấm ở ° C; P = công suất tiêu tán trong RTD từ mạch trong W; và PD = hằng số phân tán của RTD trong W / ° C.

Tóm lược :

Lỗi tự sưởi ấm là do yếu tố RTD không thể làm tiêu tan nhiệt được tạo ra bởi công suất cần thiết được áp dụng thông qua dòng đo.

Tiêu chuẩn ASTM yêu cầu sai số tối đa là 1 ° C khi áp dụng 33 mW trong nước 25 ° C, IEC yêu cầu sai số tối đa 0,05 ° C trong nước 25 ° C khi dòng điện hoạt động tối đa được áp dụng.

Các phương pháp kiểm tra này là các phương pháp so sánh trong phòng thí nghiệm tốt Đối với các PRT được cài đặt với độ nhúng thích hợp trong một quy trình, dòng điện hoạt động là 1 mA hoặc ít hơn, do đó công suất (I2R) cho 100 Ω PRT cũng nhỏ (0,02 .0,39 mW).

Lỗi lager có thể xảy ra ở các cảm biến có điện trở trong phạm vi 500, 1000 hoặc khi quá trình thể hiện các điều kiện truyền nhiệt kém như không khí tĩnh hoặc khí áp suất thấp.

Nhiệt EMF hoặc Seebeck hoặc Hiệu ứng nhiệt điện

Có lẽ bạn nghĩ rằng hiệu ứng Seebeck chỉ áp dụng cho cặp nhiệt điện? Nhưng tương tự như cặp nhiệt điện, RTD bạch kim cũng được chế tạo bằng cách sử dụng hai kim loại khác nhau, yếu tố RTD bạch kim và đồng của dây dẫn.

Đối với một số ứng dụng, các kết nối này trong vòng cảm biến có thể tạo ra điện áp Seebeck có thể chống lại các giọt IR được tạo ra trong phần tử điện trở và giảm nhẹ việc đọc.

Ví dụ, nếu độ dốc nhiệt độ được phép phát triển dọc theo phần tử cảm biến, thì điện áp nhiệt khoảng 7uV / ° C có thể phát triển do kết nối giữa phần tử cảm biến bạch kim và dây dẫn bằng đồng.

Đối với hầu hết các ứng dụng, bộ đếm nhỏ này sẽ không phải là một lỗi đáng kể, nhưng có thể dẫn đến các sự cố trong các hệ thống đo lường có độ chính xác rất cao hoạt động ở dòng điện kích thích thấp (có lẽ được thực hiện để giảm thiểu lỗi tự làm nóng) đo đạc trong phòng thí nghiệm.

Vật liệu và cấu trúc của một RTD làm cho nó trở thành một yếu tố tương đối cồng kềnh, và điều này cũng gây khó khăn cho việc sử dụng RTD để đo nhiệt độ tại một điểm tiếp xúc duy nhất.

Tuy nhiên, RTD cung cấp một phương tiện tuyệt vời để đo nhiệt độ trung bình trên một bề mặt và nó thực hiện điều này bằng cách trải tiếp xúc dây điện trở trên một diện tích bề mặt.

Nhưng nếu tiếp xúc bề mặt này cũng lan rộng ra một khoảng cách, do đó các kết nối dây dẫn ở mỗi đầu của phần tử bị dịch chuyển quá xa nhau, thì điều này có thể dẫn đến lỗi Seebeck, là sản phẩm phụ của gradient nhiệt xảy ra giữa hai phần Kết nối bạch kim-đồng với dây dẫn.

Những lỗi này có thể được ngăn ngừa bằng cách sử dụng dây dẫn thích hợp và định vị cảm biến cẩn thận so với dây dẫn.

Tóm lại, một vật liệu chì khác như đồng có thể tạo ra một điểm nối T / C nơi nó kết nối với phần tử bạch kim, và sau đó là một điểm nối T / C khác ở đầu kia.

Nếu hai điểm nối ở nhiệt độ khác nhau, thì một emf nhiệt điện sẽ phát triển có thể loại bỏ phép đo IR của phần tử RTD.

Tổng đại số của emf nhiệt điện trong một mạch bao gồm bất kỳ số lượng vật liệu khác nhau là bằng không, nếu tất cả các mối nối được duy trì ở nhiệt độ đồng đều.

Vì vậy, bạn chỉ có hai biện pháp để chống lại hiệu ứng này: hoặc sử dụng dây dẫn có cùng chất liệu với nguyên tố (không thực tế, vì điều này sẽ rất tốn kém cho một nguyên tố bạch kim có dây dẫn dài) hoặc đơn giản là giữ nhiệt độ ở mỗi đường giao nhau giống nhau (nghĩa là dọc theo phần tử) hoặc gần giống nhau, điều này sẽ dẫn đến đóng góp emf ròng không đáng kể cho phép đo điện áp của bạn.

Tóm lược :

Lỗi EMF nhiệt còn được gọi là cặp nhiệt điện hiệu ứng. Lỗi này là do các thành phần dây khác nhau, các kết nối dây trong tính đồng nhất của vật liệu và độ dốc nhiệt độ trong PRT (RTD).

Các tiêu chuẩn ASTM và IEC đưa ra các hướng dẫn ở các dòng cảm biến cao Mặc dù khi có ảnh hưởng EMF, nó sẽ có tác động lớn hơn ở các dòng thấp hơn gần dòng hoạt động tiêu chuẩn.

Lỗi này xảy ra chủ yếu trong các hệ thống hiện tại trực tiếp. Để giảm thiểu các lỗi EMF nhiệt, chọn một PRT với EMF được chỉ định thấp.

Ngoài ra, sử dụng mạch điện xoay chiều và các máy phát được chọn phù hợp có thể loại bỏ ảnh hưởng EMF.

Thời gian đáp ứng hoặc thời gian đáp ứng

Hằng số thời gian của RTD đề cập đến tốc độ mà phần tử của nó thay đổi điện trở để đáp ứng với sự thay đổi nhiệt độ tiếp xúc.

Hằng số thời gian nhanh giúp giảm sai số trong hệ thống đo lường gặp phải những thay đổi nhanh chóng về nhiệt độ.

Khi chúng ta xem xét việc xây dựng RTD, chúng ta có thể suy ra rằng thời gian đáp ứng sẽ phụ thuộc rất nhiều vào khối lượng của phần tử cảm biến và cấu trúc cách điện của nó, cũng như khả năng truyền nhiệt cho vật liệu được cảm nhận.

Điều này ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ truyền nhiệt từ bề mặt cảm biến bên ngoài đến phần tử cảm biến lõi.

Một cách tương đối, vì RTD đo nhiệt độ trên một diện tích lớn hơn là điểm tiếp xúc nhỏ như cặp nhiệt điện và do phần tử cảm biến RTD phải được cách điện nên nó có thời gian đáp ứng chậm hơn nhiều so với cặp nhiệt điện.

Tương tự như vậy, một đầu dò RTD trong một nhiệt sẽ phản ứng chậm hơn so với cùng một cảm biến được nhúng trực tiếp vào chất lỏng.

Một cảm biến trong cụm lắp ráp bên trong được liên kết chắc chắn sẽ phản ứng nhanh gấp đôi so với một cảm biến có giao diện lỏng lẻo trong cùng một cụm.

Một RTD bề mặt sẽ phản ứng nhanh hơn với sự thay đổi nhiệt độ bề mặt.

Thời gian đáp ứng cho một cảm biến nhất định thường được định nghĩa là thời gian cảm biến đạt được 63% giá trị cuối cùng của nó ở trạng thái cân bằng nhiệt để đáp ứng với sự thay đổi nhiệt độ tiếp xúc.

Những thời gian này thường được biểu thị bằng số đo trong nước chảy với tốc độ 1m / giây (3ft / giây) và / hoặc trong không khí chảy với tốc độ 3 m / giây (10ft / giây).

Mặc dù ít phổ biến hơn, đôi khi thời gian phản hồi sẽ đề cập đến khoảng thời gian để Platinum RTD đạt 90% giá trị cuối cùng của nó (trái ngược với 63%).

Hãy chắc chắn để lưu ý sự khác biệt này khi so sánh giữa các loại cảm biến.

Tóm lược :

Một lỗi liên quan đến đáp ứng thời gian có thể được tạo ra trong quá trình chuyển đổi nhiệt độ nếu PRT (RTD) không thể đáp ứng với sự thay đổi nhiệt độ đủ nhanh.

Trong quá trình hoạt động ở trạng thái ổn định hoặc gần trạng thái ổn định, lỗi này bằng không. ASTM và IEC không xác định lỗi này, mặc dù có một phương pháp thử để mô tả thời gian phản hồi của PRTs cho mục đích so sánh.

Khi cần theo dõi các điều kiện nhất thời, lỗi này có thể được giảm thiểu bằng cách chọn cảm biến có thời gian phản hồi được thử nghiệm nhanh hơn trong phòng thí nghiệm và đánh giá tốc độ thay đổi liên quan đến quá trình để phù hợp nhất với hiệu suất phản hồi thời gian của cảm biến.

Bài Nhược điểm của đầu dò nhiệt độ điện trở xuất hiện đầu tiên trên Aubase – Giải pháp tổng lưu lượng.

.

Leave A Reply

Your email address will not be published.