Resistance Temperature Detectors: RTD

RTD คือ ตัวเซ็นเซอร์อุณหภูมิที่ใช้หลักการเปลี่ยนแปลงค่าความต้านทานของโลหะ ซึ่งค่าความต้านทานดังกล่าวจะมีค่าเพิ่มตามอุณหภูมิ ความต้านทานของโลหะที่เพิ่มขึ้นนี้ เรียกว่า “สัมประสิทธิ์การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิแบบบวก”(Possitive Trmperature Coefficient ; PTC) นิยมนำไปใช้ในการวัดอุณหภูมิในช่วง -270 to 850 °C. โลหะที่มีความต้านทานจำเพาะต่ำมักจะถูกนำมาใช้เป็นวัสดุ RTD โดยปกติ RTD สามารถแบ่งออกได้ตามวัสดุที่ใช้ทำดังต่อไปนี้
1. แพลทินัม เป็นแบบที่นิยมใช้มากที่สุด เขียนบอกไว้เป็น PT ได้แก่ PT-10 , PT-100, PT-1000 มี Repeatability สูง แต่ Sensitivity น้อย ราคาแพงมากเมื่อเทียบกับนิกเกิลซึ่งมี Repeatability น้อย แต่ Sensitivity มาก และราคาถูกกว่า
2. ทังสเตนมีค่าความต้านทานจำเพาะสัมพันธ์สูง มักจะใช้กับการวัดอุณหภูมิที่มีค่าสูง เพราะหากใช้ที่อุณหภูมิปกติจะมีความเปราะและยากต่อการใช้งาน
3. นิกเกิล ใช้กับย่านวัดอุณหภูมิสูง ๆ มีความเป็นเชิงเส้นต่ำ ทำให้เกิดค่าดริฟต์ กับเวลา นอกจากนี้ยังมีวัสดุชนิดอื่น ๆ ที่ใช้ทำอาร์ทีดีได้แก่ เหล็ก เป็นต้น

เนื่องจาก RTDs ต้องการกำลัง (current source) จากภายนอก ซึ่งจะทำให้เกิดความร้อนในชิ้นส่วนที่มีความต้านทาน เพราะว่า RTD เป็นตัวต้านทานตัวหนึ่ง(แต่เปลี่ยนแปลงไปตามอุณหภูมิ) จึงเกิดความร้อนซึ่งกลายเป็นพลังงานที่สูญเสียโดยตัวมันเองเป็นค่า I²R ทำให้เกิดความผิดพลาดในการวัดอุณหภูมิ ยกตัวอย่างของกรณีนี้ เช่นอุณหภูมิที่วัดจริง 80 C แต่บวกกับความร้อนจากตัวมันเอง 3C ทำให้อุณหภูมิที่ตัวมันวัดได้เป็น 83 C นั่นคือจะผิดพลาดไป 3C โดยค่าความผิดพลาดที่วัดได้นี้สามารถคำนวณได้จากสมการนี้

T = P x S
โดยที่
T : Self Heating Temperature อุณหภูมิที่การเกิดความร้อนโดยตัวมันเอง
P : I²R power generated,
S : °C/milliwatt ค่าคงที่ในการสูญเสีย (Dissipation Constant) จำนวนพลังงานที่ทำให้ RTD มีอุณหภูมิสูงขึ้น 1C

RTD Measurement Methods
เทคนิคในการวัดอุณหภูมิด้วย RTD ที่นิยมกันมีอยู 2 วงจรดังนี้

1. วิธี 2-wire เป็นวิธีที่ง่ายในการต่อวงจรโดยใช้แค่ 2 สายต่อเป็นวงจรดังรูป กระแสไฟฟ้าจะไหลผ่าน RTD และจะมีการวัดความต่างศักย์ไฟฟ้า ข้อด้อยของวิธีนี้มีความร้อนเกิดขึ้นใน RTD ทำให้เกิดความผิดพลาดในการวัดดังที่กล่าวมาแล้ว

2. วิธี 3-wire เป็นการปรับปรุงจากวิธี 2-wire ดังที่ได้กล่าวมาแล้ว โดยกระแสไฟฟ้าจะไหลผ่าน RTD และจะมีการวัดความต่างศักย์ไฟฟ้า อย่างไรก็ตาม สายเส้นที่สามจะช่วยชดเชยความต้านทานของสายที่เกิดขึ้น ข้อด้อยของวิธีนี้มีความร้อนเกิดขึ้นใน RTD ทำให้เกิดความผิดพลาดในการวัดดังที่กล่าวมาแล้ว

3. วิธี 4-wire เป็นการปรับปรุงจากวิธี 2-wire และ 3-wireดังที่ได้กล่าวมาแล้ว โดยกระแสไฟฟ้าจะไหลผ่าน RTD และจะมีการวัดความต่างศักย์ไฟฟ้าแต่แหล่งกำเนิดกระแสไฟฟ้าจะไหลผ่านสายคู่หนึ่ง และ จะมีการการวัดความต่างศักย์ไฟฟ้าจากสายอีกคู่หนึ่ง ดังรูป สายทั้งสองคู่จะมีความยาวของสายเท่ากัน ดังนั้นหากนำไปวัดค่าความต้านทานของสายทั้งสองคู่ก็จะเจอสภาพแวดล้อมเหมือนกันครับ จึงทำให้ผลของความต้านทานของสายถูกกำจัดออกไป วิธีนี้จะช่วยกำจัดความผิดพลาดเนื่องจาก self-heating ดังที่กล่าวมาแล้วครับ

RTD ข้อดี/ข้อเสีย
ข้อดี

stable และ ถูกต้องสูงมากเมื่อเทียบกับวิธีการวัดอื่นๆ

มีความเป็นเชิงเส้น linear มากกว่า thermocouples
ข้อเสีย

RTDs แพงกว่า thermistors และ thermocouples

ต้องการแหล่งจ่ายกระแสไฟฟ้า เนื่องจากที่ RTD ไม่สามารถกำเนิดพลังได้เหมือนกับเทอร์โมคัปเปิล จึงทำให้กระแสไหลผ่านและเกิด self heating ดังที่กล่าวมาแล้ว ดังนั้นจึงควรลดขนาดของกระแสที่ต้องการวัดให้ต่ำสุด โดยการลดแรงเคลื่อนที่แหล่งจ่ายให้ต่ำสุดเท่าที่จะเป็นไปได้

สภาพแวดล้อมของการวัด จะมีผลทำให้เกิดความผิดพลาดได้ ยกตัวอย่าง ในอากาศอิสระ การเพิ่มของอุณหภูมิ 1Cต่อ mW (ค่าสมมุติ) แต่อาจจะมีการเพิ่มของอุณหภูมิเป็น 10C ต่อ mW(ค่าสมมุติ) ในอากาศซึ่งมีอัตราการไหลที่ความเร็ว 1 m/s

ข้อควรจำในการวัดอุณหภูมิโดยใช้อาร์ทีดี คือ
1.ต้องมีการซีลด์สายและเดินสายบิดเกลียวเพื่อป้องกันสัญญาณรบกวน
2.อาร์ทีดีมีความเปราะบาง จึงต้องป้องกันและระวังการใช้งาน

่ที่มา 4uengineer.com

Posted in: Resistance Temperature Detectors, RTD, Temperature