RTD‑elementontwerpen

Inhoud

1. Laboratorium‑RTD‑ontwerpen
2. Industriële RTD‑ontwerpen
3. Filmthermometers
4. Samenvatting: het juiste RTD‑elementontwerp kiezen

Weerstandsthermometers (RTD’s) kunnen op uiteenlopende manieren worden geconstrueerd, afhankelijk van de meetomgeving. Van nauwkeurige laboratoriuminstrumenten tot robuuste industriële assemblages: ontwerpkeuzes beïnvloeden nauwkeurigheid, duurzaamheid, stabiliteit en kosten. Hieronder volgt een samenvatting van de meest gebruikte RTD‑elementconstructies, te beginnen met ontwerpen van laboratoriumkwaliteit.

Laboratorium‑RTD‑ontwerpen

Laboratorium‑RTD’s geven prioriteit aan precisie en stabiliteit. Deze elementen worden zorgvuldig geconstrueerd om de belasting van het meetelement te minimaliseren en een uitstekende kalibratie in de tijd te behouden.

Precisie‑spoel‑in‑buis‑ontwerpen

In moderne ijklaboratoria worden de nauwkeurigste RTD‑elementen vervaardigd met:

• Fijne platinadraad (doorgaans 0,07 mm in diameter).
• Spiraalvormig gewikkeld en klemvast gemonteerd in buisjes van silica, glas of alumina.
• Vierdraadsconfiguraties voor zeer nauwkeurige weerstandsmeting (zie figuur 6.1).
• Hermetisch afgesloten en nagevuld met argon of lucht/zuurstof om een oxiderende omgeving voor het platina te waarborgen.
• Aansluitdraden zijn zorgvuldig geïsoleerd met mica, silica of saffier om een hoge isolatieweerstand te behouden en lekstromen te minimaliseren.

Deze assemblages laten het platina vrij uitzetten en krimpen, wat langdurige stabiliteit boven –189°C waarborgt.

Cryogene capsules

Bij zeer lage temperaturen hebben capsule‑RTD’s de voorkeur. Deze compacte ontwerpen:

• Gebruiken dunwandige platinabuizen gevuld met heliumgas voor uitstekende thermische geleiding.
• Hebben doorgaans een lengte van circa 50 mm en een diameter van 5 mm.
• Zijn afgedicht en robuust, met een zeer lage thermische massa (zie figuur 6.2).

Dergelijke ontwerpen zijn ideaal voor cryogene kalibratie en meetomgevingen met ultralage temperaturen.

Referentie‑elementen voor hoge temperaturen

Boven 660°C krijgen platina‑RTD’s te maken met problemen met isolatieweerstand en drift. Om dit te ondervangen:

• Laagohmige RTD’s worden geconstrueerd met meerdere platinadraden parallel.
• Elementen zoals het NBS‑‘bird cage’-ontwerp verminderen de effecten van de weerstand van de aansluitdraden (zie figuur 6.3).
• De lagere weerstand (bijv. 0,2 Ω bij 0°C) maakt ze minder gevoelig voor shunting door lekstromen, wat de nauwkeurigheid bij hogere temperaturen verbetert.

Industriële RTD‑ontwerpen

Industriële RTD’s zijn gebouwd om te overleven in zwaardere omgevingen, waar trillingen, thermische schokken en mechanische belasting veel voorkomen. Deze ontwerpen balanceren robuustheid met meetstabiliteit.

Draadgewikkelde keramische elementen

Traditionele industriële RTD’s gebruiken keramische of glazen spoelen waarop platinadraad wordt gewikkeld:

• De winding wordt met keramisch cement of glas vastgezet en afgedicht (zie figuur 6.4).
• Keramische staven met spiraalvormige groeven zijn een andere optie, waarbij de draad tegen trillingen wordt beschermd (zie figuur 6.5).

Deze ontwerpen zijn robuust maar kunnen wat uitzettingsvrijheid van het platina‑element opofferen, wat de langetermijnstabiliteit kan beïnvloeden.

Gedeeltelijk ondersteunde spoelassemblages

Een geavanceerder ontwerp gebruikt gedeeltelijk ondersteunde platinaspoelen:

• De spiraalvormige spoel wordt in een meerkanaals alumina‑buis geplaatst.
• Alleen bepaalde contactpunten worden met glas gefixeerd, zodat de rest van de draad vrij kan bewegen (zie figuur 6.6).
• Dit ontwerp verbetert de trillingsbestendigheid aanzienlijk terwijl de rek tot een minimum wordt beperkt.

Typische eenheden zijn 25 mm lang en ongeveer 3 mm in diameter. Ze worden zorgvuldig afgeregeld zodat ze overeenkomen met 100 Ω bij 0°C, wat conformiteit met IEC-normen waarborgt.

Deze behoren tot de meest stabiele industriële elementen die verkrijgbaar zijn, met een drift van slechts enkele honderdsten van een graad over het bereik van –200°C tot +850°C.

Filmthermometers

Film-RTD's zijn een moderne evolutie in sensorontwerp. In plaats van draad te gebruiken, vertrouwen deze elementen op dunne of dikke lagen platina die op een substraat zijn afgezet.

Dunne-filmontwerpen

• Een zeer dunne platinalaag wordt vacuüm afgezet op een keramisch substraat.
• Ideaal voor oppervlakte- of luchttemperatuurmetingen tot circa 500°C.
• Snelle responstijd dankzij lage thermische massa en uitstekende weerstand tegen trillingen (zie Figuur 6.7).

Dikke-filmontwerpen

• Gebruik platina-glaspasta's die op een vlak oppervlak worden zeefgedrukt en vervolgens bij hoge temperaturen gebakken.
• Komt vaker voor in omgevingen met lagere kosten of seriematige productie.

Pluspunten en beperkingen

Advantages:

• Sterk reproduceerbare seriematige productie.
• Kosteneffectief met snelle thermische respons.
• Goede tolerantie voor trillingen.

Limitations:

• Minder langetermijnstabiliteit vergeleken met draadgewonden typen.
• De platinalaag is klein en gevoelig voor verontreiniging.
• Mechanische rek tijdens thermische cycli kan de kalibratie beïnvloeden.
• Variaties tussen batches kunnen de uitwisselbaarheid beperken.

Hoewel draadgewonden RTD's van topkwaliteit een ±0,005% stabiliteit kunnen bereiken, bieden filmelementen doorgaans ±0,05% - nog steeds voldoende voor veel industriële toepassingen.

Samenvatting: het juiste RTD-elementontwerp kiezen

Verder lezen

RTD-uitvoertabellen
Bekijk tabellen van weerstand versus temperatuur voor alle Pt100-sensoren.

Wat zijn de RTD-kleurcodes?
Ontdek RTD-kleurcodes en bedradingsconfiguraties.