CẢM BIẾN ĐO NHIỆT ĐỘ - RTD (RESISTANCE TEMPRATURE DETECTORS)
RTD (Resistance Temperature Detectors) là một loại thiết bị được sử dụng để đo nhiệt độ. RTD thông thường bao gồm một miếng kim loại rất nhỏ mà điện trở của nó thay đổi theo một quy luật được biết trước khi nhiệt độ thay đổi. RTD đắt hơn nhiều và hơi chính xác hơn cặp nhiệt điện. Chúng có thể được sử dụng ở hầu hết các vị trí mà cặp nhiệt điện được sử dụng.
Platinum là kim loại phổ biến nhất được dùng để chế tạo RTD bởi vì điện trở của nó thay đổi theo nhiệt độ rất tuyến tính. Điện trở là đại lượng đặc trưng cho khả năng dẫn điện của vật liệu. Với điện áp biết trước, nếu điện trở cao thì dòng điện qua vật dẫn sẽ nhỏ. Điện trở được tính bằng ôm và được ký hiệu bằng một biểu tượng hình móng ngựa (Ω).
Với một dây kim loại, điện trở của nó thay đổi tỷ lệ thuận với chiều dài. Chiều dài dây tăng gấp đôi thì điện trở của nó cũng tăng gấp đôi. Tuy nhiên, điện trở sẽ giảm nếu tăng diện tích tiết diện ngang của dây dẫn. Nếu diện tích tiết diện ngang của dây tăng gấp đôi thì điện trở giảm một nửa. Hình 2.10 sau đây đưa ra một số ví dụ về ảnh hưởng của chiều dài và diện tích tiết diện ngang lên điện trở của ba dây kim loại Platinum khác nhau.
Hình 2.10 Đo điện trở RTD
Bằng cách đo điện trở của phần tử RTD, ta có thể xác định được nhiệt độ quá trình nếu sự thay đổi điện trở chỉ do ảnh hưởng của nhiệt độ quá trình. Trong thực tế lắp đặt, phần tử RTD được nối đến máy đo hoặc thiết bị chuyển đổi tín hiệu qua các dây đo. Mạch có thể sử dụng một cầu đo cân bằng như trong hình 2.11. Ở đây hệ số nhiệt độ của các điện trở R1, R2 và R3 là gần bằng 0 và giá trị của R3 được điều chỉnh cho đến khi dòng điện qua G hoặc điện áp chỉ thị trên vôn kế số (DVM) bằng 0. Trong điều kiện này, giá trị của R3 bằng với giá trị điện trở chưa biết giữa hai điểm đo bao gồm (A + B + RTD).
Giả sử rằng điện trở của RTD (tại 0oC) là 100Ω và RTD được chế tạo bằng platinum, khi đó điện trở của phần tử RTD 100Ω này sẽ thay đổi một lượng 0.385Ω/oC. Nếu một dây dẫn bằng đồng dài 500ft (152m), đường kính 20 gauge được dùng để nối RTD đến cầu đo, thì điện trở giữa hai điểm đo lúc này được cộng thêm vào 10Ω (5Ω cho mỗi dây). Lúc cầu cân bằng R3 = A + B + RTD = 10Ω + RTD. Với hệ số nhiệt độ 0.385Ω/oC, điện trở thêm vào này sẽ góp phần gây nên sai số phép đo một lượng bằng 10/0.385 = 26oC.
Ví dụ trên đây cho thấy sai số do dây nối tương đối lớn trong cấu hình RTD 2 dây, vì thế cấu hình này không được sử dụng trong những phép đo cần độ chính xác và chiều dài dây nối lớn hơn vài in. Khi transmitter được lắp đặt trực tiếp trên ống bao (hình 2.12) chiều dài dây nối sẽ rất nhỏ dẫn đến sai số không đáng kể. Để khắc phục trình trạng này, các nhà cung cấp đưa ra cấu hình RTD 3 dây mà ở đó sai số do dây nối được giảm đến mức nhỏ nhất.
Hình 2.11
Hình 2.12
RTD 3 dây
Trong các phòng thí nghiệm hoặc trong các ứng dụng đòi hỏi độ chính xác cao thì RTD 3 dây không đáp ứng được, lúc này người ta xem xét đến RTD 4 dây. Với RTD 4 dây, ảnh hưởng của dây nối hoàn toàn được loại bỏ.
Hình 2.13
RTD 4 dâyRTD 4 dây có thể được nối với một cầu đo cân bằng hoặc một nguồn dòng hằng. Cả hai trường hợp được mô tả sau đây. Hình 2.14 minh họa một cầu đo cân bằng 4 dây. Nó hoạt động bằng cách chuyển mạch thông qua một chuyển mạch 3 cực kép và thực hiện đo cân bằng luân phiên giữa hai cấu hình. Một cấu hình thì đầu A được đo cùng với điện trở RTD trong khi cấu hình còn lại thì đầu B, vì thế chúng loại bỏ hoàn toàn và giá trị thực tế của điện trở RTD được tính bằng (R3a + R3b)/2. Vi xử lý và các mạch điện tử cao cấp sẽ thực hiện được giải pháp tinh vi này, nhưng giá cả vẫn cao, vì thế các thiết kế loại này tương đối đắt tiền. Thêm vào đó, chúng vẫn bị giới hạn bởi điện trở tiếp xúc. Thậm chí với tiếp điểm chuyển mạch tốt nhất (bề mặt mạ vàng) vẫn tạo nên điện trở tiếp xúc, và sự khác nhau giữa các điện trở này gây ra vài sai lệch nhỏ mỗi khi sử dụng cấu hình này để đo điện trở.
Hình 2.14
Một cách khác để loại bỏ sai số dây nối là sử dụng một nguồn dòng hằng (CCS) trong cấu hình RTD 4 dây. Những nguồn dòng hằng được sản xuất nhỏ gọn với giá thành tương đối thấp và cung cấp dòng hằng khá chính xác khoảng 2mA hoặc nhỏ hơn để tránh sai số do nhiệt tự phát. Như trình bày trong hình 2.15, trong cấu hình này cầu đo được thay thế bằng một vôn kế số dùng để đo điện trở của riêng RTD và nó không nhạy với ảnh hưởng của dây đo bởi vì không có dòng điện chạy qua các dây nối. Điện trở của dây nối (A và B) không góp phần tạo nên sai số bởi vì điện áp rơi trên chúng không được bao hàm trong mạch đo.Để đạt được độ chính xác cao nhất, phải chắc chắn rằng dòng điện (Ic) qua RTD phải là hằng số và DVM không tiêu thụ bất kỳ dòng điện nào (i=0), và cũng loại bỏ luôn điện áp tạo ra do mối nối cặp nhiệt điện tại điểm #1 và #2. Điều này là cần thiết bởi vì khi hai dây (RTD platinum và dây đồng) tại điểm #1 và điểm #2 tạo nên những mối nối cặp nhiệt điện, điện áp do chúng tạo ra sẽ được ghi nhận bởi DVM. Ảnh hưởng này bị loại bỏ bằng cách bù. Điện áp lệch được tạo ra do các mối nối cặp nhiệt điện không mong muốn được đo bằng DVM khi mạch CCS hở và vì thế Ic = 0. Máy đo RTD thông minh sẽ ghi nhận điện áp đo được khi không có dòng điện chạy qua và hiệu chỉnh kết quả cuối cùng bằng một lượng khi CCS được kết nối vào mạch và Ic khoảng 2mA.
Thông thường, RTD hai dây được sử dụng trong các ứng dụng thứ cấp kiểu HVAC, RTD 3 dây được dùng trong công nghiệp xử lý, và RTD 4 dây được dùng trong các ứng dụng có độ chính xác cao và trong các phòng thí nghiệm.
Hình 2.15
Hình 2.16: RTD công nghiệp
RTD kiểu dây quấn
RTD phổ biến được chế tạo từ một sợi dây Platinum có đường kính rất nhỏ quấn quanh một lõi bằng gốm. Lõi gốm sau khi được quấn dây sẽ được phủ bên ngoài một lớp thủy tinh nóng chảy nhằm bảo vệ nó khỏi bị ảnh hưởng bởi môi trường. RTD này cũng có thể được đặt thêm vào một lớp vỏ bảo vệ để cho phép lắp đặt nó vào các đường ống hoặc thiết bị đo quá trình. Hình dưới đây trình bày một RTD tiêu biểu kiểu dây quấn. Đường kính dây 0.001 in, đường kính lõi gốm khoảng 0.1 đến 0.2 in. Điện trở của hầu hết các RTD thông dụng tại 0oC là 100Ω.
Một giới hạn của RTD (so với cặp nhiệt điện) vấn đề kích thước. RTD tương đối lớn, bởi vì để đạt được điện trở yêu cầu (thường là 100) chiều dài của cảm biến phải tương đối dài, thường là vài feet. Giới hạn đã được khắc phục bằng cách thiết kế kiểu phim mỏng, rất phù hợp với yêu cầu kích thước nhỏ gọn.
Hình 2.17: RTD kiểu dây quấn
RTD kiểu phim mỏng
Các đầu đo nhiệt kiểu dây quấn là phổ biến, nhưng các RTD kiểu phim mỏng cũng thường được sử dụng bởi vì với cấu trúc phẳng và mỏng, chúng đáp ứng nhanh theo sự thay đổi của nhiệt độ và đặc biệt chúng rất phù hợp để đo nhiệt độ bề mặt và nhiệt độ của khí. Cấu trúc này cũng dùng ít kim loại hơn (platinum đắt hơn vàng) và ít nhân công hơn trong quá trình chế tạo. Hình sau so sánh kích thước của một RTD tiêu biểu với một cây bút chì.
RTD kiểu phim mỏng được chế tạo bằng cách cho hơi platinum ngưng tụ thành một lớp rất mỏng trên một tấm gốm (ceramic) mỏng và phẳng. Diện tích tiết diện ngang của tấm phim mỏng này cực kỳ nhỏ có nghĩa là chỉ cần một đoạn platinum ngắn cũng tạo ra điện trở đủ lớn có thể đo được khi nhiệt độ thay đổi. Cũng như các RTD kiểu dây quấn, RTD kiểu phim mỏng cũng cần được bảo vệ bằng lớp thủy tinh hay gốm và được đặt vào một lớp vỏ bảo vệ để có thể lắp đặt chúng vào một hệ thống đo lường quá trình.
Điện trở của các RTD làm bằng platinum thay đổi theo nhiệt độ tiêu biểu như sau:
0.00385Ω/ΩoC
Ví dụ: Nếu một RTD làm bằng platinum có điện trở ở 0oC là 100Ω được dùng để đo nhiệt độ của nước sôi (100oC), điện trở của nó sẽ tăng 38.5Ω và sẽ thành 138.5Ω. Giá trị này được tính như sau:
Lượng điện trở thay đổi = 100oC x 100Ω x 0.00385Ω/ΩoC = 38.5Ω
Nếu RTD bằng platinum có điện trở bằng 200Ω ở 0oC được đặt vào nước sôi 100oC thì điện trở của nó sẽ thay đổi một lượng bằng:
Lượng điện trở thay đổi = 100oC x 200Ω x 0.00385Ω/ΩoC = 77Ω
RTD được sản xuất để đo các dải nhiệt độ khác nhau. Chúng có thể được dùng để đo nhiệt độ từ -200oC đến 750oC
Hình 2.18: RTD kiểu phim mỏng
Ưu điểm và khuyết điểm của RTD
RTD là một trong những phần tử cảm biến nhiệt chính xác nhất, có thể tái sản xuất, ổn định và nhạy. Một số RTD platinum chính xác có thể đo được vài phần ngàn oC, và đây là lý do mà trong các dụng cụ đo đã định nghĩa một phần thang đo nhiệt độ quốc tế (ITS-90). Những ưu điểm khác là độ nhạy tương đối tốt (0.1 đến 10Ω/oF) và sử dụng dây nối với mạch đo bằng đồng truyền thống (thay vì dùng dây cặp nhiệt điện đắt tiền). Một ưu điểm khác nữa của RTD bằng đồng là cả RTD và dây mối với mạch đo đều bằng đồng, vì thế ảnh hưởng của mối nối cặp nhiệt điện là nhỏ nhất. Một ưu điểm khác của RTD là sử dụng cầu đo đơn truyền thống để đo sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai RTD.
Khuyết điểm của RTD là giá thành cao, cấu trúc dễ vỡ, kích thước lớn so với cặp nhiệt điện. Bởi vì kích thước lớn nên thời gian đáp ứng theo sự thay đổi của nhiệt độ tương đối chậm (hình 2.19). RTD cũng bị ảnh hưởng bởi nhiệt tự phát sinh. Sai số tăng theo kích thước và điện trở và được giảm đi bằng cách giải nhiệt và bằng cách giảm đến đến mức tối thiểu (dòng hằng khoảng 2mA) hoặc loại bỏ hoàn toàn (cầu không cân bằng) dòng điện qua RTD. Sai số có thể sinh ra nếu điện trở cách ly của RTD bị ảnh hưởng bởi ẩm bám vào vỏ bọc hoặc do tiếp xúc giữa phần tử RTD với vỏ bọc. Một số RTD có độ nhạy dao động so với những cái khác. RTD cũng có độ chính xác phụ thuộc vào độ ổn định của chúng (không nhạy với sự thay đổi của nhiệt độ), điện trở hằng và nguồn cung cấp trong các cầu đo cụ thể.
Hình 2.19: Đáp ứng thời gian của cảm biến nhiệt độ RTD tiêu biểu
Trong khi lắp đặt, RTD đòi hỏi cũng cẩn thận như cặp nhiệt điện. Thực tế lắp đặt tốt nhất là đặt trực tiếp tất cả các mạch điện tử trên đỉnh của ống bao (hình 2.12) và vì thế loại bỏ được ảnh hưởng của dây nối và nhiễu. Nếu không thực hiện được các điều này, các dây nối nên được xoắn lại và bọc vỏ; cũng như thế, các dây không nên bị kéo căng và đi qua vùng có sườn dốc. Dây nối kéo dài phải có điện trở thấp (đường kính lớn) và dụng cụ đo phải đảm bảo.
Comments
Post a Comment