سنسور RTD چیست؟

سنسور RTD چیست؟

آشکارساز دمای مقاومتی (Resistance Temperature Detector)، که به عنوان RTD یا دماسنج مقاومتی نیز شناخته می‌‌شود، نوعی سنسور دما (سنسور RTD) است. این سنسورها از عناصر فلزی تشکیل شده‌ اند که تغییر مقاومت  در آن‌ ها تابعی از دما است. با افزایش دما، مقاومت فلز افزایش یافته و با کاهش دما مقاومت آن کاهش پیدا می‌ کند.

یک RTD  از سیم هایی (با مقاومت مشخص) متصل به یک فرستنده ساخته شده است. این فرستنده سیگنال مقاومتی خروجی از سیم‌ها را برای فرآیند اندازه گیری دما آماده می کند.

شکل 1- RTD

تاریخچه استفاده از سنسور RTD

کاربرد افزایش مقاومت الکتریکی رساناها با افزایش دما برای اولین بار توسط سر ویلیام زیمنس در سال 1871 قبل از انجمن سلطنتی بریتانیا توضیح داده شد و از  این اصل بین سال‌ های 1885 تا 1900 بکار گرفته شد.

یکی از کاربرد های افزایش مقاومت با افزایش دما در شاتل فضایی بود. در شاتل فضایی از دما سنج‌ های مقاوم با جنس پلاتین استفاده شد؛ اما موتور اصلی شاتل STS-51F  بخاطر خرابی های متعدد RTD ها خاموش شد. در این پروژه چرخه‌ های متعدد گرمایی باعث خرابی RTD ها و خاموش شدن موتور شد. در پی این حادثه، RTD ها در موتور شاتل با ترموکوپل جایگزین شدند.

مکانیزم عملکرد سنسور RTD چیست؟

به این جمله توجه کنید:

مقاومت فلزات با تغییر دما تغییر می کند.

 این جمله، اصل اساسی عملکرد RTD است. طبق این جمله، اگر تغییر مقاومت یک فلز را اندازه بگیریم، با توجه به ضریب دمایی آن می توانیم مقدار تغییر دما را اندازه بگیریم.

ضریب دمای سنسور RTD برابر متوسط تغییرات مقاومت در بازه‌ ی دمایی 0 تا 100 درجه سانتی‌ گراد است، که با α  نمایش داده می‌ شود.

رابطه (1)

در این رابطه مقاومت در 0 درجه سانتی گراد و مقاومت در 100 درجه سانتی گراد است.

پس می‌ توان گفت یا مقاومت در دمای t برابر است با:

رابطه (2)

رابطه‌ ی اخیر به خوبی ارتباط مستقیم دما و مقاومت را نشان می‌ دهد. در RTD ها با محاسبه‌ ی مقاومت  و استفاده از روابط بالا می‌ توان دما را محاسبه کرد.

یک مثال از محاسبه دما در سنسور RTD

فرض کنید سنسور RTD از نوع PT100 مقدار مقاومت 100 و 139.1 اهم را به ترتیب در دماهای 0 و 100 درجه سانتی‌ گراد نشان داده است. می‌خواهیم بدانیم اگر سنسور مقاومت 116 اهم را نشان دهد، دما چقدر بوده است؟

در گام اول باید ضریب دمایی  را محاسبه کنیم. با استفاده از رابطه‌ ی (1) داریم:

اکنون با استفاده از رابطه‌ ی (2):

بنابراین دمای مورد نظر 40.92 درجه سانتی‌ گراد بوده است.

روش نصب سنسور RTD

معمولا هنگام نصب سنسور توصیه می شود از یک ترمووِل (thermowell) استفاده شود. ترموول ها اتصالات استوانه ای هستند که برای محافظت از سنسور های دمای نصب شده در فرآیندهای صنعتی استفاده می شوند. ترموول یک لوله است که یک سر آن بسته شده و RTD در انتهای باز آن قرار می گیرد. به این ترتیب، گرما از طریق دیواره ترمووِل به سنسور منتقل می شود. نمودار شکل 3، نمونه ای از نصب صحیح RTD و ترموول است.

شکل 2-  ترموول

شکل 3- نصب ترموول و RTD

اکثر سنسور های RTD دارای یک غلاف محافظ ساخته شده از Inconel هستند که از سنسور در برابر محیط و ضربه های مکانیکی محافظت می کند.

Inconel ها مواد مقاوم در برابر اکسیداسیون هستند که برای استفاده در محیط های تحت فشار و گرما مناسبند. هنگامی که Inconel گرم می شود، یک لایه اکسید ضخیم و پایدار تشکیل می دهد که از سطح محافظت می کند.

بنابراین، در محدوده دمایی وسیعی استحکام خود را حفظ کرده و برای کاربردهای در دمای بالا، که برای آلومینیوم و فولاد قابل تحمل نیست، مناسب است. شکل 4 یک غلاف را نشان می دهد.

شکل 4- غلاف محافظ

نگهداری و کالیبراسیون سنسور RTD

با این که اکثر سنسور ها یک غلاف محافظ دارند و یا در یک ترموول نصب می‌ شوند، لازم است به صورت دوره ای به بررسی سلامت آن ها پرداخت. بخشی از این فرآیند نگهداری شامل بررسی آسیب‌ های ناشی از موارد زیر است:

1. خوردگی
2. ضربه
3. لرزش شدید

در صورت بروز آسیب، لازم است در اسرع وقت به تعویض یا تعمیر سنسورها اقدام کرد. یکی از گام‌های نگهداری صحیح از این سنسورها، کالیبره کردن آن ها در دوره های زمانی مشخص است.

دوره های زمانی کالیبره شدن RTD به چرخه دما، ارتعاشات و شوک های وارد شده به سنسور بستگی دارد. این کالیبراسیون با مقایسه مقاومت سنسور با یک استاندارد انجام می شود.

ساختار و اجزای اصلی RTD ها

سنسور های RTD شش جزء اصلی دارد که عبارتند از المان فلزی، سیم، لوله محافظ، اتصالات، قطر بیرونی و انتهای سرد.

 المان فلزی سنسور

همه فلزات در هنگام تغییر دما مقاومت ایجاد می کنند که مقدار تغییر مقاومت آن ها به ضریب دمایی فلز وابسته است.

در RTDها، ضریب دمایی یعنی: میزان تغییر مقدار مقاومت با تغییر یک درجه کلوین دما.

برای سنسور های RTD عناصر مس، نیکل، پلاتین و بالکو (Balco) عناصر مورد استفاده به عنوان المان فلزی هستند.

مس

تغییر مقاومت مس با تغییر دما رابطه خطی خوبی دارد. اکسید شدن مس، استفاده از آن را به دمای کمتر از 150 درجه یا 302 درجه محدود می کند. به همین دلیل، RTD های مسی در اندازه گیری دمای سیم پیچی موتور ها، ژنراتور ها و توربین ها استفاده می شود. علاوه بر آن، در محیط هایی که فاقد اتمسفر اکسید کننده هستند، می توان از RTD با عنصر مسی بهره برد.

در اولین سنسور RTD، از مس به عنوان عنصر فلزی استفاده شد. اما در نهایت مشخص شد که پلاتین عملکرد بهتر و خوانش دقیق تری دارد.

پلاتین

عنصر فلزی در RTD پلاتینی، از سیم پلاتین خالص ساخته شده اند و دارای ضریب دمایی مثبت هستند. پایداری خطی عنصر پلاتین، RTD پلاتینی را به سنسوری بسیار دقیق برای کاربردهای صنعتی تبدیل می کند.

نیکل

RTDها با عنصر فلزی نیکل بازه ی دمایی محدودی دارند و در دمای بیش از 300 درجه یا 572 درجه غیر خطی می شوند. این سنسور ها نسبت به RTD های پلاتینی قیمت کمتری داشته و در برابر خوردگی مقاوم اند، اما به سرعت فرسوده شده و دقت خود را از دست می دهند. محدوده دمایی آن ها 80 تا 260 درجه سانتیگراد یا  112- درجه تا 500 درجه است.

بالکو

بالکو، یک آلیاژ متشکل از 70% نیکل و 30% آهن است. رسانایی حرارتی بالکو مشابه نیکل است اما با مقاومت دو برابری. سنسور های  RTD با فلز بالکو مانند مس، کم هزینه، با ضریب مقاومت بالا، خطی بودن استثنایی، خواص مکانیکی قوی و مقاومت در برابر خوردگی هستند.

به دلیل قیمت مناسب تر، در تولید سنسور های مدرن RTD، مس، نیکل و پلاتین معمولاً با بالکو جایگزین می شوند.

 لوله های محافظ RTD

برای ساخت لوله‌ ی RTD از فولاد ضد زنگ 316 که معمولاً برای مونتاژ های تا 500 درجه فارنهایت مناسب است، استفاده می شود. اگر بخواهیم از RTD ها در دمای بالاتر از 500 درجه فارنهایت استفاده کنیم، توصیه می شود که به جای فولاد از اینکونل (Inconel) 600 استفاده شود.

قطر خارجی

قطر بیرونی سنسور های RTD در طیف وسیعی از اندازه ها وجود دارد، اما معمولاً بین 0.063 اینچ (1.6 میلی متر) و 0.5 اینچ (12.7 میلی متر) در نظر گرفته می شود.

 سیم های RTD

RTD در پیکربندی‌ های 2 ، 3 و 4 سیمه در دسترس است. از بین آن ها پیکربندی3 سیمه رایج‌ ترین نوع برای کاربردهای صنعتی است. مواد عایق سیم‌ ها، تفلون و فایبرگلاس هستند. تفلون در برابر رطوبت مقاوم است و می‌ تواند تا دمای 400 درجه فارنهایت استفاده شود. در حالی که فایبرگلاس توانایی تحمل دما تا 1000 درجه فارنهایت را دارد.

 تکیه گاه

دو فلز رایج مورد استفاده برای تکیه گاه و اتصالات، برنج و فولاد ضد زنگ هستند. برنج به دلیل مقاومت در برابر خوردگی آن انتخاب شده است، در حالی که فولاد ضد زنگ مقاوم در برابر خوردگی و مواد شیمیایی است. اتصالات برای نصب آسان سنسور و محکم کردن سیم‌ ها به‌گونه‌ ای طراحی شده‌ اند که پیچ خورده یا چروک نشوند.

 ترمینال با انتهای سرد RTD

سنسور RTD از طریق ترمینال به دستگاه مانیتورینگ یا سایر تجهیزات مانند PLC ها متصل می شود.

شکل 5- اجزای اصلی RTDها

انواع RTD ها

سنسور های RTD را بر اساس مقاومت داخلی و تعداد سیم مورد استفاده می توان به دو دسته تقسیم کرد. در این بخش به بررسی این دو دسته بندی مهم این سنسور ها یعنی، دسته بندی سنسور RTD بر اساس مقاومت داخلی و دسته بندی بر اساس تعداد سیم می پردازیم.

1- دسته بندی سنسور RTD بر اساس مقاومت داخلی

دو سنسور PT100 و PT1000 از مشهورترین سنسور های RTD هستند.

سنسور های PT100

“pt” در نام pt100 نشان می دهد که سنسور با یک عنصر پلاتین ساخته شده است و 100 ضریب مقاومت آن است. سنسور pt100  یکی از دقیق ترین ابزارهای اندازه گیری دما با ضریب مقاومت 100 اهم است. چندین نسخه از سنسور pt100 وجود دارد که ضرایب دمایی متفاوتی دارند و با حرف آلفا یا α نشان داده می شوند.

رایج ترین سنسور نوع آلفا، “385” است. عدد 385 یعنی ضریب دمایی این سنسور برابر 0.00385 بر درجه سانتی گراد است. به طور معمول اگر ضریب دمایی 0.00385 بر درجه سانتی گراد باشد، از قید کردن آن در کنار سنسور صرفه نظر می شود.

شکل 6- سنسور pt100

سنسور های RTD PT1000

pt1000  دومین حسگر مقاومتی پر کاربرد است. ضریب مقاومت آن 1000 اهم است و عمدتاً به صورت دو سیمه استفاده می شود. همانطور که مشخص است، یک pt1000 مقاومت بیشتری نسبت به pt100 دارد.

Pt1000 مقدار مقاومت بالاتری داشته و به جریان کمتری نیاز دارند. آن ها برای سیستم هایی که انرژی کمتری مصرف می کنند، مناسب هستند. از آنجایی که مصرف برق آن ها کم است، گرمای کمتری هم تولید می کنند و خطا های کمتری ناشی از افزایش گرما (خود گرمایشی) دارند.

شکل 7- سنسور pt1000

2- دسته بندی سنسور RTD بر اساس تعداد سیم

RTD ها بر اساس تعداد سیم به سه دسته دو، سه و چهار سیمه تقسیم می شوند.

RTD دو سیمه

همانطور که از نام این دسته مشخص است، این RTDها دو سیم در ساختار خود دارند. از این نوع RTD معمولا در کاربردهایی که مقدار تقریبی دما اهمیت دارد، استفاده می‌ شود. افزایش مقاومت سیم‌ ها در این دسته باعث کاهش دقت RTD ها می‌ شود.

این پیکربندی ساده‌ ترین، کم‌ هزینه‌ ترین و در عین حال محدود ترین RTD است. استفاده از RTD های دو سیمه زمانی که دستگاه گیرنده مستقیماً بدون حضور سیم های رابط، به سنسور متصل می شود، دما را با دقت مناسبی اندازه می گیرند. مقاومت ذاتی ناشی از استفاده از سیم های رابط در هنگام استفاده از پیکربندی دو سیمه، قابل جبران نیست و بکار بردن آن ها خطای اندازه گیری را افزایش می دهد.

به طور کلی، هنگامی که دقت مهم نیست، RTD دو سیمه کم هزینه ترین است. رنگ سیم ها در استاندارد IEC 60751-2008 تعریف شده است، رنگ های سیم ها در شکل 8 نشان داده شده است.

شکل 8- سنسور RTD دو سیمه

RTD سه سیمه

 این دسته محبوب‌ ترین نوع RTD در صنایع مختلف است. در این نوع RTD از افزایش مقاومت کابل‌ ها جلوگیری شده و خطای محاسبه کاهش می‌ یابد.

در سنسور سه سیمه، مقاومت سیم ها از مقاومت اندازه گیری شده کاسته می شود تا دقت بهتری در اندازه گیری دما وجود داشته باشد. بنابراین برای به حداقل رساندن اثرات مقاومت خطوط و افزایش دما در سیم ها، استفاده از سنسور سه سیمه معمول است. این سنسور یک سیم اضافی دارد که منجر به تشکیل دو مدار اندازه گیری می شود. یکی از این مدار ها به عنوان مرجع به کار می رود.

شکل 9- سنسور RTD سه سیمه

RTD چهار سیمه

دقیق‌ ترین نوع RTDها نوع چهار سیمه است. در این دسته مقاومت سیم‌ ها محاسبه شده و اثر آن‌ ها بر اندازه گیری دما حذف می‌ شود. به همین دلیل در مواردی که نیازمند تعیین دما با دقت بالا هستیم، این نوع RTD انتخاب صحیح خواهد بود.

سنسور های 4 سیمه علاوه بر کاهش مقاومت سیم ها از مقدار مقاومت اندازه گیری شده، اثر مقاومت نقطه تماس را هم از بین می برند. به همین دلیل، با استفاده از سنسور 4 سیمه، خوردگی و شرایط محیطی کمتر نگران کننده هستند. از طرفی، پیکربندی 4 سیمه مشکلات ناشی از طول سیم رابط را کاهش می دهد.

شکل 10- سنسور RTD چهار سیمه

مزایای RTD ها

حساسیت بالا، خطی بودن در بازه‌ ی عملکرد وسیع و عملکرد مناسب در بازه‌ های بزرگ دمایی از جمله مهم ترین مزایای RTD ها هستند. علاوه بر این مزایا، استفاده از RTD در مقایسه با انواع دیگر سنسور های دما، دقت بالا، تکرارپذیری و پایداری بالا را به همراه خواهد داشت.

معایب RTD ها

ابعاد بزرگ، شکننده بودن، تاثیر پذیری از نویز الکتریکی از بزرگ ترین معایب RTD ها هستند. نا مطلوب بودن در دماهای بالا هم عیب دیگر این تجهیز است. RTD ها در صنعت به ندرت در دمای بالای 660 درجه سانتی‌ گراد استفاده می‌ شوند. چون در این دما جلوگیری از آلوده شدن پلاتین به نا خالصی بسیار دشوار می‌ شود.

چطور سنسور RTD مناسب را انتخاب کنیم ؟

برای انتخاب نوع مناسب RTD ها باید به سوالاتی مانند سوالات زیر پاسخ داد:

1. کدام نوع عنصر فلزی RTD برای کاربرد مورد نظر مناسب است ؟
2. جزئیات اپلیکیشنی که می‌ خواهیم از RTD ها در آن استفاده کنیم، کدام‌ اند ؟ ( مثلا: می‌ خواهیم دمای چه ماده‌ ای را اندازه بگیریم؟ جامد؟ مایع؟ و یا گاز؟)
3. چه شرایطی بر محیط نصب RTD حاکم است ؟ (شرایطی مانند: دامنه‌ ی IP مورد نیاز، میزان مقاومت در برابر مواد شیمیایی و …)
4. می‌ خواهیم چه بازه‌ ی دمایی را اندازه بگیریم ؟
5. چه تجهیزاتی، خروجی سنسور را برای ادامه‌ ی فرآیند کنترلی دریافت می‌ کنند ؟

پاسخ به سوالاتی از این دست می‌ تواند به ما در انتخاب بهتر RTD مورد نیاز کمک کند.

جمع‌ بندی

• RTD ها یکی از سنسور های اندازه‌ گیری دما هستند، که پس از ترموکوپل برای اندازه گیری دما بسیار محبوب اند.
• عملکرد این تجهیزات بر اساس رابطه‌ ی تغییر مقاومت با تغییر دما است.
• این سنسور ها را می توان از منظر تعداد سیم یا مقدار مقاومت داخلی، دسته بندی کرد. RTD از منظر تعداد سیم به سه دسته دو، سه و چهار سیمه تقسیم می شود.
  • نوع سه سیمه‌ ی این تجهیز در صنعت بسیار استفاده می‌ شود.
  • نوع چهار سیمه دقیق‌ ترین نوع و نوع دو سیمه ارزان ترین نوع RTD هستند.
• PT100 و PT1000 مهم ترین دسته های RTD از نظر مقدار مقاومت داخلی است.

اگر به دنبال مرجع کاملی از سنسور ها هستید، در “دوره اتوماسیون کار ماهر” به ما بپیوندید.

منبع: omega.com