حسگر مقاومتی دما RTD

توضیحات

سنسور RTD ها از فلزهایی با جنس خاص (پلاتین ، نیکل یا مس) هستند که مقاومت الکتریکی شان با تغییر دما تغییر می کند. مقاومت الکتریکی عموما با افزایش دما، افزایش می یابد و در این حالت تجهیز اندازه گیری ضریب دمایی مثبت دارد. مقدار ضریب دمایی، حساسیت RTD را تعیین می کند. از آنجا که سنسورهای RTD شکننده هستند درون یک پوسته محافظ قرار داده می شوند.

RTD ها به نسبت ترموکوپل ها دقت بسیار بالایی دارند و جهت اندازه گیری دماهای زیر 600 درجه سانتی گراد، به ندریج جایگزین ترموکوپل ها می شوند.

تصاویر RTD

(سنسور، پوسته و دیگر اجزاء)

انواع سنسور RTD

RTD ها بر اساس نوع جنس فلزی که در سنسور آنها استفاده می شود دسته بندی می شوند.

• RTD با سنسور پلاتین

RTD با المان پلاتین، مرسوم ترین نوع RTD هستند که در صنایع فرایندی استفاده می شوند.

پلاتین معمول ترین فلز برای RTD هاست، دقت کالیبره شده خوبی دارد، کاملا پایدار بوده و تکرار پذیری خوبی دارد.

دو نوع اصلی RTD از جنس پلاتین وجود دارد با عنوان PT100 و PT1000

PT100

عبارت PT بیان می کند که جنس فلز ، پلاتین است و عبارت 100 ، مقاومت فلز بر حسب اهم در درمای 0 درجه سانتی گراد است.

PT1000

در این مورد نیز PT بیانگر پلاتین برای جنس فلز است ولی مقاومت، 1000 اهم در دمای 0 درجه سانتی گراد است.

• RTD با سنسور مسی (Copper)

المانهای RTD از جنس مس در محدوده دمایی شان بسیار خطی هستند، ولی دقت محدودی دارند و محدوده دمایی آنها نسبت به المان های پلاتینی کوچک تر است. المان های مس غالبا برای اندازه گیری دما در سیم پیچ های موتور و یاتاقانها استفاده می شود (در مواردی که دقت، موضوع حیاتی نیست).

• RTD با سنسور نیکل (Nickel)

المانهای RTD از جنس نیکل دارای ضریب دمایی بزرگتری نسبت به المانهای RTD پلاتینی و مسی هستند ولی ویزگی خطی ضعیف، دقت محدود، تکرارپذیری کمتر و محدوده دمایی کاری نسبتا کوچکی دارند. المانهای نیکل معمولا در کاربردهایی که دقت ، موضوع خیلی مهمی نیست استفاده می شوند.

انواع RTD

بر اساس روش اندازه گیری مقاومت الکتریکی سنسور آنها

• RTD های دو سیمه (Tow-Wire RTD)
• RTD های سه سیمه (Three-Wire RTD)
• RTD های چهار سیمه (Four-Wire RTD)

برای خواندن دقیق دما از یک RTD ، مقاومت المان حسگر RTD باید اندازه گیری شود.هر سیم رابط مسی که به المان حسگر RTD وصل می شود خود دارای مقاومت است که این مقاومت به مقاومت المان حسگر RTD اضافه می شود .اگر مقاومت اضافه شده را نادیده بگیریم، خطا بوجود می آید و اندازه گیری دما دقیق نخواهد بود. خطای حاصل، ” تاثیر سیم رابط ” خوانده می شود. هر چه طول سیم بیشتر باشد خطا بیشتر خواهد بود.

برای جبران سازی تاثیر سیم رابط، RTD های سه سیمه و چهارسیمه به جای دو سیمه استفاده می شوند. RTD های سه سیمه با اتصال یک سیم اضافه به یکی از سیم های اولیه ایجاد می شود و RTD های چهار سیمه با اتصال یک سیم مسی اضافه به خر یک از سیم های رابط موجود ایجاد می شود.

سنسور RTD دو سیمه (Tow-Wire RTD)

این مدل رایج ترین و ساده ترین نوع اتصال در RTD ها می باشد  و زمانی استفاده می شود که دقت اندازه گیری پایین مورد استفاده باشد.

مشکل اصلی در اندازه گیری دو سیمه این است که تغییر مقاومت ناشی از سیم های رابط مشخص نیست و تجهیز اندازه گیری نمی تواند بین مقاومت RTD و مقاومت سیمهای رابط تفاوتی قایل شود. مقاومت دو سیم رابط به مقاومت المان RTD اضافه می شود و باعث کاهش دقت اندازه گیری می شود. RTD های دو سیمه معمولا در کاربردهای HVAC استفاده می شود.

در این روش ماکزیمم تا 100 متر کابل می توان استفاده کرد.

سنسور RTD سه سیمه (Three -Wire RTD)

RTDهای سه سیمه قادر به جبران سازی تاثیر سیم های رابط هستند، ولی هزینه اضافی ناشی از سه سیمه شدن را به دنبال دارند. روش های مختلفی برای انجام جبران سازی و یافتم مقاومت المان RTD وجود دارد. یکی از روش های معمول، استفاده از قانون اهم است.

در این روش ماکزیمم تا 600 متر کابل می توان استفاده کرد.

سنسور RTD چهار سیمه (Four-Wire RTD)

RTD های چهارسیمه بهترین جبران سازی را دارند و در سرویس های حساسی که به دقت بالایی نیاز دارند استفاده می شوند. در این روش، 4 نقطه سنس، افت ولتاژ حاصل در اندازه گیری را که منجر به ایجاد خطا می شود حذف می کنند تا دقت اندازه گیری بالا رود. هر ولتاژ ترموالکتریک نشتی تولید شده ناشی از جنس متفاوت سیم یا اتصالات پیچ ها، با برعکس کردن جهت جریان 1mA و اتصالات به ولت متر دیجیتال (DVM)، حذف می شود.ولتاژهای ترموالکتریک فقط در یک جهت تولید می شوند.

تبدیل مقاومت به دما

پس از اینکه مقاومت RTD تعیین شد، باید به مقدار دمای متناظرش تبدیل شود . در ترنسمیترها ، یکی از دو روش زیر استفاده می شود:

• بر اساس استاندارد RTD (مثلا استاندارد IEC 751)
• بر اساس معادله Callendar-Van Dusen

در استاندارد IEC-751 ، مقدار ماکزیمم ” خطای قابلیت تعویض سنسور ” در دمای فرایند معین و در دو کلاس A و B  تعریف می شود. این کلاس ها برای مشخص کردن RTD های پلاتینی استفاده می شوند.

RTD کلاس A

در کلاس A، دقت RTD ها برابر ±0.15  ͦC + (0.002T)  ͦC تعریف شده است که در آن T دمای فرایند بر حسب ͦ C است. RTD های کلاس A گران تر از RTD های کلاس B هستند.

RTD کلاس B

در کلاس B، دقت RTD ها برابر ±0.3  ͦC + (0.005T)  ͦC تعریف شده است که در آن T دمای فرایند بر حسب ͦ C است. از آنجا که RTD های کلاس B ارزان تر از RTD های کلاس A هستند در صنعت کاربرد بیشتری دارند.

مزایای حسگر مقاومتی دما RTD

مزایای استفاده از RTD ها در مقایسه با ترموکوپل ها

• دقت و تکرارپذ یری بهتر دارند.
• سیگنال RTD ها حساسیت کمتری به نویز دارد و نسبت سیگنال به نویز آنها بیشتر است.
• در محدوده دمای کاری ، خطی تر هستند.
• خطاهای مربوط به اتصال سرد در RTD ها مطرح نیست.
• انحراف RTD(Drift) قابل پیش بینی است در حالیکه در ترموکوپل قابل پیش بینی نیست.
• تغییراتی که در طول زمان به خاطر شوکهای مکانیکی، خوردگی و سیکلهای دمایی اتفاق می افتد روی خروجی یک RTD یا ترموکوپل تاثیر می گذارد. این تغییرات با انجان برخی ملاحظات راجع به RTD ها قابل حذف است. این ویژگی در مورد ترموکوپل ها در دسترس نیست.
• RTD ها به سیم های الحاقی ویژه نیاز ندارند.

نکاتی در مورد RTDها

• شکننده و دارای ابعاد بزرگ هستند.
• به دلیل ابعاد بزرگتر نسبت به ترموکوپل ها، پاسخ زمانی آهسته تری نسبت به تغییرات دما دارند. زمان پاسخ آنها معمولا از 0.5 ثانیه تا 5 ثانیه است. زمان پاسخ با افزایش ابعاد RTD افزایش می یابد. استفاده از ترموول می تواند زمان پاسخ را دو برابر کند.
• دارای مشکلات ناشی از گرم شدن هستند. به همین دلیل برای دماهای زیر 600  ͦC کاربردی هستند.
• در برابر نویز الکتریکی حساس هستند.
• هزینه تست و تشخیص عیب آنها زیاد است.
• در مقایسه با ترموکوپل ها قیمت بالاتری دارند.