NTC در مقابل RTD: کدام سنسور دما را باید استفاده کنید؟

هنگام مقایسه NTC در مقابل RTD، پاسخ اصلی این است: ترمیستورهای NTC برای کاربردهای کم‌هزینه، سریع و با برد باریک (معمولاً -55 درجه سانتی‌گراد تا 150 درجه سانتی‌گراد) بهتر هستند، در حالی که RTD‌ها دقت و پایداری بالاتری نسبت به محدوده‌های دمایی وسیع‌تر (تا 850 درجه سانتی‌گراد) ارائه می‌دهند. . اگر در حال طراحی یک محصول مصرفی، سیستم تهویه مطبوع یا دستگاه پزشکی هستید که در آن هزینه و سرعت پاسخ بیشتر اهمیت دارد، یک سنسور دمای NTC معمولا انتخاب درستی است اگر به دقت درجه آزمایشگاهی، کنترل فرآیند صنعتی یا تکرارپذیری طولانی مدت نیاز دارید، RTD - به ویژه Pt100 یا Pt1000 - سرمایه گذاری بهتری است.

سنسور دمای NTC چیست؟

NTC مخفف ضریب دمایی منفی . ترمیستور NTC نوعی مقاومت ساخته شده از مواد اکسید فلزی نیمه هادی - معمولاً اکسیدهای منگنز، نیکل، کبالت یا مس است که مقاومت الکتریکی آنها با افزایش دما به طور تصاعدی کاهش می یابد. این رابطه غیر خطی توسط معادله استاینهارت-هارت توصیف شده یا با استفاده از ثابت B (بتا) ساده شده است.

یک ترمیستور معمولی NTC ممکن است دارای مقاومتی برابر باشد 10000 Ω (10kΩ) در 25 درجه سانتی گراد ، به حدود 3600 Ω در 50 درجه سانتیگراد و 1450 Ω در 75 درجه سانتیگراد کاهش می یابد. این تغییر مقاومت بزرگ - اغلب 3-6٪ در درجه سانتیگراد - حسگرهای NTC را بسیار حساس می کند و قادر به تشخیص تغییرات دما به کوچکی 0.01 درجه سانتیگراد در طراحی های دقیق است.

ترمیستورهای NTC چگونه کار می کنند

ترمیستورهای NTC بر اساس اصل هدایت نیمه هادی عمل می کنند. با افزایش دما، حامل های بار بیشتری از نظر حرارتی برانگیخته می شوند و برای هدایت در دسترس می شوند و مقاومت را کاهش می دهند. سنسور معمولاً در یک مدار تقسیم کننده ولتاژ با یک مقاومت مرجع شناخته شده قرار می گیرد و خروجی ولتاژ توسط مبدل آنالوگ به دیجیتال یک میکروکنترلر (ADC) خوانده می شود و از طریق یک جدول یا معادله جستجو به یک مقدار دما تبدیل می شود.

مشخصات معمول ترمیستور NTC

• مقاومت اسمی در 25 درجه سانتی گراد: 1kΩ، 10kΩ، 100kΩ (10kΩ رایج ترین است)
• محدوده ثابت B: معمولاً 3000K تا 4500K
• محدوده عملیاتی: -55 درجه سانتیگراد تا 150 درجه سانتیگراد برای انواع استاندارد. تا 300 درجه سانتیگراد برای انواع با دمای بالا
• دقت: ± 0.1 درجه سانتیگراد تا 1± درجه سانتیگراد بسته به درجه
• زمان پاسخگویی: 1-10 ثانیه برای انواع مهره در هوای ساکن؛ کمتر از 1 ثانیه در سیال متحرک

سنسور دمای RTD چیست؟

RTD مخفف ردیاب دمای مقاومتی . برخلاف ترمیستورهای NTC، RTD ها از فلزات خالص - معمولاً پلاتین، اما همچنین نیکل یا مس - ساخته می شوند که مقاومت آنها به صورت خطی با دما افزایش می یابد. این رابطه بسیار قابل پیش‌بینی است و با معادله Callendar-Van Dusen توصیف می‌شود، که مبنایی برای تمام استانداردهای پلاتین RTD است.

پر استفاده ترین RTD است Pt100 ، که دقیقاً دارای مقاومت است 100 Ω در 0 درجه سانتیگراد و تقریبا افزایش می یابد 0.385 Ω در درجه سانتی گراد (بر اساس استاندارد IEC 60751). نوع Pt1000 از 1000 Ω در دمای 0 درجه سانتیگراد شروع می شود و مقاومت بالاتر و در نتیجه ایمنی بهتری نسبت به نویز در طول کابل کشی طولانی ارائه می دهد.

انواع ساخت و ساز RTD

• RTD های سیم پیچ: یک سیم پیچ پلاتین در داخل یک لوله سرامیکی یا شیشه ای. بالاترین دقت و ثبات؛ در استانداردهای مرجع آزمایشگاهی استفاده می شود.
• RTD های لایه نازک: پلاتین بر روی یک بستر سرامیکی رسوب می کند. فشرده تر، هزینه کمتر و پاسخ سریع تر؛ رایج ترین در مصارف صنعتی و تجاری است.
• RTD های عنصر سیم پیچ: سیم پیچ پلاتین در محفظه سرامیکی برای محیط های صنعتی با لرزش بالا.

تنظیمات RTD 2-Wire، 3-Wire و 4-Wire RTD

RTD ها نیاز به در نظر گرفتن مقاومت سیم سربی دارند که می تواند خطای اندازه گیری را ایجاد کند. سه پیکربندی این را به طور متفاوتی مدیریت می کنند:

• 2-سیم: ساده ترین و کم هزینه ترین، اما مقاومت سرب باعث افزایش خطا می شود. فقط برای کابل های کوتاه یا جاهایی که دقت بالایی لازم نیست مناسب است.
• 3 سیم: رایج ترین در مصارف صنعتی یک سیم اضافی امکان جبران جزئی مقاومت سرب را فراهم می کند. دقت تا 0.5± درجه سانتیگراد معمولی است.
• 4 سیم (اتصال کلوین): دو سیم حامل جریان هستند، دو سیم ولتاژ را اندازه گیری می کنند. مقاومت سرب کاملاً از بین می رود. زمانی استفاده می شود که دقت بهتر از ± 0.1 درجه سانتیگراد مورد نیاز است.

NTC در مقابل RTD: مقایسه سر به سر

جدول زیر مهمترین عملکرد و پارامترهای کاربردی بین ترمیستورهای NTC و سنسورهای RTD را برای کمک به مهندسان در انتخاب آگاهانه مقایسه می‌کند.

دقت و خطی بودن: چرا RTD ها برای کار دقیق برنده می شوند

مهمترین تفاوت عملی بین سنسورهای NTC و RTD خطی بودن است. RTD ها از منحنی مقاومت-دما نزدیک به خطی پیروی می کنند که کالیبراسیون را در بین واحدها ساده و سازگار می کند. IEC 60751 دقت کلاس A Pt100 را اینگونه تعریف می کند ±(0.15 0.002|T|)°C و کلاس B به عنوان ±(0.30 0.005|T|)°C ، که در آن T دمای اندازه گیری شده بر حسب درجه سانتی گراد است. این قابل پیش بینی بدان معنی است که قرائت های RTD بین واحدهای یک کلاس بدون کالیبراسیون فردی بسیار قابل تعویض هستند.

در مقابل، ترمیستورهای NTC دارای منحنی مقاومت نمایی هستند که باید در نرم افزار با استفاده از معادله Steinhart-Hart یا تقریب B-constant خطی شوند. در حالی که سنسورهای NTC درجه بالا می توانند به دست آورند دقت ± 0.1 درجه سانتیگراد در یک محدوده باریک (به عنوان مثال، 0 درجه سانتیگراد تا 70 درجه سانتیگراد)، این دقت به طور قابل توجهی در حداکثر محدوده عملکرد آنها کاهش می یابد. دو ترمیستور NTC با مشخصات اسمی یکسان می‌توانند بدون کالیبراسیون 1± درجه سانتیگراد یا بیشتر با هم تفاوت داشته باشند - یک مسئله مهم در تولید در مقیاس.

حساسیت و زمان پاسخ: جایی که ترمیستورهای NTC اکسل

برای کاربردهایی که نیاز به تشخیص سریع تغییرات دما در یک محدوده باریک دارند، ترمیستورهای NTC یک مزیت تعیین کننده دارند. حساسیت آنها - تغییر مقاومت در هر درجه تغییر دما - است 5 تا 10 برابر بیشتر است نسبت به Pt100 RTD نزدیک دمای اتاق. این بدان معنی است که نوسانات دمایی کوچک باعث ایجاد تغییرات مقاومتی بزرگ و به راحتی قابل اندازه‌گیری می‌شود و تقاضا برای رزولوشن ADC و مدار تهویه سیگنال را کاهش می‌دهد.

یک ترمیستور NTC مهره ای کوچک ( قطر 0.5 میلی متر ) می تواند ثابت زمانی حرارتی زیر داشته باشد 0.5 ثانیه در مایع همزده، آن را برای نظارت بر دمای مایع داخل وریدی، سیستم های مدیریت باتری (BMS) و حفاظت حرارتی CPU که در آن واکنش سریع به شرایط دمای بیش از حد ایمنی حیاتی است، ایده آل می کند.

RTD ها، به ویژه انواع سیمی در غلاف های محافظ، معمولا دارای ثابت زمانی هستند 5-30 ثانیه در هوای متحرک RTD های لایه نازک می توانند سریعتر پاسخ دهند اما همچنان از ترمیستورهای NTC مینیاتوری عقب هستند. برای فرآیندهایی که دما به آرامی تغییر می کند - مانند اجاق های صنعتی، اتوکلاوها یا اتاق های آب و هوا - این تفاوت ناچیز است.

محدوده دما: RTD تنها گزینه بالای 150 درجه سانتیگراد است

اگر برنامه شما به اندازه گیری دما در بالا نیاز دارد 150 درجه سانتی گراد ، ترمیستور NTC عملاً رد صلاحیت شده است. مواد ترمیستور نیمه هادی در این دماها شروع به تخریب می کنند و پایداری کالیبراسیون را از دست می دهند و اکثر دستگاه های استاندارد NTC بیش از 125 درجه سانتیگراد تا 150 درجه سانتیگراد رتبه بندی نمی شوند.

RTD ها قابلیت اندازه گیری را گسترش می دهند 850 درجه سانتیگراد برای انواع پلاتین ، آنها را برای کاربردهایی مانند:

• نظارت بر دمای کوره و کوره صنعتی
• اندازه گیری دمای ورودی توربین بخار و گاز
• قالب گیری تزریق پلاستیک و کنترل فرآیند اکستروژن
• اعتبار سنجی استریلیزاسیون دارویی (اتوکلاو).
• کاربردهای برودتی تا 200- درجه سانتیگراد

در پایین ترین سطح، RTD ها همچنین از حسگرهای NTC در محدوده های برودتی بهتر عمل می کنند. در حالی که ترمیستورهای استاندارد NTC تا دمای ۵۵- درجه سانتی گراد قابل استفاده هستند، RTD های تخصصی (به ویژه انواع پلاتینیوم) دقت کالیبره شده را در دماهای نزدیک حفظ می کنند. -200 درجه سانتی گراد که در حمل و نقل گاز مایع و کاربردهای هوافضا حیاتی است.

خطای خود گرمایش: یک ملاحظه حیاتی برای هر دو نوع سنسور

هم ترمیستورهای NTC و هم RTD ها از جریان اندازه گیری عبوری از خود گرما تولید می کنند که می تواند خوانش ها را خراب کند - پدیده ای به نام خطای خود گرمایشی. مدیریت این امر برای اندازه گیری دقیق ضروری است.

خود گرمایش در سنسورهای NTC

ترمیستورهای NTC معمولاً در سطوح جریان بالاتر (به دلیل مقاومت کمتر) کار می کنند، به این معنی که خود گرمایشی مهم تر است. یک ترمیستور 10 کیلو اهم NTC که فقط از بین می رود 1 مگاوات قدرت بسته به ثابت اتلاف حرارتی (δ) می تواند خطای خود گرمایشی 0.1 تا 0.5 درجه سانتی گراد را نشان دهد. برای به حداقل رساندن خطا، ولتاژ اعمال شده باید پایین نگه داشته شود (معمولاً زیر 1 ولت ) و ترمیستور باید با ثابت اتلاف بالا انتخاب شود.

خود گرمایش در سنسورهای RTD

RTD ها معمولاً با جریان ثابت تحریک می شوند 1 میلی آمپر یا کمتر . برای Pt100 در دمای 0 درجه سانتیگراد، 1 میلی آمپر فقط تولید می کند 0.1 مگاوات اتلاف ، منجر به خود گرمایش ناچیز در اکثر تاسیسات می شود. با این حال، در هوای ساکن یا محیط‌های خلاء با رسانش حرارتی ضعیف، حتی این توان کم نیز می‌تواند خطا ایجاد کند، بنابراین اندازه‌گیری‌های 4 سیم با تحریک پالسی در ابزارهای آزمایشگاهی با بالاترین دقت ترجیح داده می‌شوند.

کاربردهای معمولی: انتخاب سنسور مناسب برای کار

بهترین حسگر همیشه آن است که با نیازهای خاص برنامه مطابقت داشته باشد. تفکیک زیر رایج ترین موارد استفاده را پوشش می دهد.

هزینه و پیچیدگی طراحی مدار

از دیدگاه طراحی سخت افزار، ترمیستورهای NTC به طور قابل توجهی آسان تر و ارزان تر برای پیاده سازی هستند. یک مدار اندازه گیری اولیه NTC فقط به یک مقاومت مرجع دقیق، یک ولتاژ تغذیه و یک ورودی ADC نیاز دارد - قطعاتی که هزینه کمتری دارند. در مجموع 0.50 دلار . کل زنجیره سیگنال را می توان در یک پایه GPIO میکروکنترلر ساده با یک ADC داخلی پیاده سازی کرد.

مدارهای RTD به وسایل الکترونیکی پیشرفته تری نیاز دارند. یک پیکربندی 3 یا 4 سیم به یک منبع جریان ثابت دقیق، یک پل وتستون یا تقویت کننده ابزار دقیق، و یک ADC با وضوح بالا (معمولاً نیاز دارد. 16 بیتی یا 24 بیتی ). آی سی های اختصاصی رابط RTD مانند Maxim MAX31865 یا Texas Instruments LMP90100 این را ساده می کنند اما اضافه می کنند 3 تا 8 دلار برای هر کانال به صورتحساب مواد برای سیستم های چند کانالی که صدها نقطه را نظارت می کنند، این تفاوت هزینه به طور قابل توجهی ترکیب می شود.

پایداری و رانش بلند مدت

پایداری طولانی مدت - توانایی سنسور برای حفظ کالیبراسیون خود در طول ماه ها و سال ها - در کاربردهایی که کالیبراسیون مجدد دشوار یا پرهزینه است، یک تمایز مهم است.

RTD های پلاتینیوم فوق العاده پایدار هستند. سنسورهای Pt100 با کیفیت بالا می توانند کالیبراسیون را در داخل حفظ کنند ± 0.1 درجه سانتیگراد در طول 10 سال تحت شرایط عملیاتی عادی این پایداری به همین دلیل است که RTD ها اساس مقیاس بین المللی دمای (ITS-90) بین 259.35- درجه سانتی گراد و 961.78 درجه سانتی گراد هستند.

ترمیستورهای NTC بیشتر در معرض رانش هستند، به ویژه هنگامی که در معرض چرخه حرارتی مکرر، رطوبت، یا استرس مکانیکی قرار می گیرند. سنسورهای معمولی NTC با کیفیت بالا ممکن است حرکت کنند 0.1 درجه سانتیگراد تا 0.2 درجه سانتیگراد در سال ، با دستگاه های درجه پایین تر به طور قابل توجهی بیشتر جابجا می شوند. برای محصولات مصرفی با طول عمر 1 تا 3 سال، این قابل قبول است. برای ابزارهای صنعتی که انتظار می رود به مدت 10 سال بدون کالیبراسیون مجدد کار کنند، یک محدودیت جدی است.

نحوه انتخاب بین NTC و RTD: راهنمای تصمیم گیری عملی

از معیارهای زیر برای هدایت تصمیم انتخاب سنسور خود استفاده کنید:

1. محدوده دمایی بالاتر از 150 درجه سانتیگراد؟ → از RTD استفاده کنید. ترمیستورهای NTC مناسب نیستند.
2. محدوده دمایی زیر 55- درجه سانتیگراد؟ → از RTD (Pt100) استفاده کنید. ترمیستورهای استاندارد NTC فاقد مشخصات هستند.
3. هزینه محدودیت اولیه است و دقت 0.5± درجه سانتیگراد کافی است؟ ← از ترمیستور NTC استفاده کنید.
4. سریعترین زمان ممکن پاسخ مورد نیاز است؟ ← از ترمیستور NTC مهره ای مینیاتوری استفاده کنید.
5. پایداری بلندمدت بالا یا قابلیت ردیابی نظارتی لازم است؟ → از یک RTD، ترجیحاً 4 سیم Pt100 استفاده کنید.
6. اندازه گیری دمای نزدیک اتاق (0 تا 70 درجه سانتی گراد) با حساسیت بالا؟ ← ترمیستور NTC اغلب بهترین انتخاب است.
7. تعداد زیاد نقاط اندازه گیری در تاسیسات صنعتی؟ → هزینه کل سیستم را مقایسه کنید. تهویه سیگنال RTD به سرعت در هر کانال اضافه می شود.
8. محیط کابل کشی طولانی یا حساس به نویز؟ → از Pt1000 RTD با پیکربندی 3 سیم یا 4 سیم برای بهترین ایمنی در برابر نویز استفاده کنید.