حسگرهای مقاومتی دما | RTD چیست | انواع RTD

حسگرهای مقاومتی دما | RTD چیست | انواع RTD

 RTD چیست ؟

المان RTD مخفف Resistance Temperature Detector به معنی حسگرهای مقاومتی دما می باشد. این نوع سنسورها از سنسورهای خطی در اندازه گیری دما می باشد که سیگنال خروجی ما به صورت یک سیگنال مقاومتی می باشد. با قرار دادن RTD در یک بازوی پل وتستون می توان مقدار مقاومت را اندازه گیری نمود. سپس مقاومت RTD تعیین شده را به مقدار دمای متناظرش با استفاده از روش های استاندارد RTD (مثلا استاندارد IEC 751) یا معادله Callendar-Van Dusen تبدیل نمود. در شکل زیر بخشی از جدول تعیین دما از مقدار مقاومت RTD برای مدل Pt100 که در ادامه توضیح خواهیم داد، آورده شده است :

جدول RTD : 

انواع RTD ؟

ویژگی های ترمو مقاومتی المان حسگر RTD، بسته به فلز یا آلیاژی که ار آن ساخته شده، متفاوت می باشد. سه نوع فلز مقاومتی که غالبا برای ساخت RTD استفاده می شود عبارتند از پلاتین (Platinum)، مس (Copper) و نیکل (Nickel).

RTD های پلاتینیوم

RTD های پلاتینی رایج ترین نوع RTD است که در کاربردهای صنعتی مورد استفاده قرار می گیرد. این امر به این دلیل است که پلاتین از مقاومت در برابر خوردگی عالی ، پایداری طولانی مدت عالی برخوردار است و طیف گسترده ای از دما (-200 … + 850 ° C) را اندازه گیری می کند.

RTD های نیکل

RTD های نیکل نسبت به پلاتین ارزان تر بوده و از مقاومت در برابر خوردگی خوبی برخوردار هستند. با این حال ، نیکل با گذشت زمان سرعت بیشتری می یابد و در دماهای بالاتر دقت خود را از دست می دهد. نیکل به محدوده اندازه گیری -80 … + 260 درجه سانتی گراد محدود شده است.

RTD های مس

RTD های مس بهترین مقاومت را در برابر خطی دما از سه نوع RTD دارند و مس مواد کم هزینه ای است. با این حال ، مس در دماهای بالاتر اکسید می شود. مس محدود به محدوده اندازه گیری -200 … + 260 ° C است.

 پارامترهای انتخاب RTD : 

• نوع RTD : Pt100، Pt1000، Cu، Ni و …
• تعداد سیم : 2 سیمه، 3سیمه، 4 سیمه
• رنج دمایی : تا 450 درجه یا 600 درجه سانتیگراد
• خروجی : جریان(4-20mA) یا ولتاژ (0-10 V) یا خروجی اهمی (بدون ترانسمیتر)
• متراژ کابل یا پراابعاد طول و قطر سنسور : مثال : 5 سانتیمتر، 8 میلیمتر
• 

دقت RTD

ابتدا باید تصمیم بگیرید که در اندازه گیری خود به چه میزان دقت لازم است. دقت ترکیبی از مقاومت در برابر مقاومت پایه (تحمل مقاومت در دمای کالیبراسیون) و ضریب دما تحمل مقاومت (تحمل در شیب مشخصه) است. هر دمای بالاتر یا پایین تر از این دما ، باند تحمل وسیع تری داشته باشد یا دقت کمتری داشته باشد (نمودار زیر را ببینید). رایج ترین دما درجه سانتی گراد درجه سانتی گراد است.

اتصالات سنسور RTD

سنسورهای RTD از تعداد مختلفی از جنس سیم سرب در دسترس هستند. پیکربندی رایج ترین عنصر واحد ، پیکربندی سه سیمه است. شماتیک تنظیمات سیم سرب موجود در زیر نشان داده شده است:

سنسور دو سیم ، معمولاً در برنامه هایی استفاده می شود که دقت در آن ها بسیار مهم نیست. پیکربندی دو سیم ساده ترین روش اندازه گیری را امکان پذیر می کند ، اما به دلیل مقاومت حسگر منجر به عدم دقت ذاتی می شود. در پیکربندی دو سیم ، هیچ راهی برای جبران مستقیم مقاومت سیم های سرب وجود ندارد که باعث افزایش افست در اندازه گیری مقاومت می شود.

سنسور سه سیم با یک حلقه جبران ساخته شده است تا اندازه گیری را از مقاومت سیم ها جدا کند. با استفاده از این تنظیمات ، دستگاه کنترل کننده ، دو اندازه گیری را انجام می دهد. اندازه گیری اول مقاومت کل سنسور و سیمهای اتصال دهنده را اندازه گیری می کند. اندازه گیری دوم مقاومت مقاومت در برابر حلقه جبران است. با کم کردن مقاومت حلقه جبران از کل مقاومت ، مقاومت خالص حساب تعیین می شود. سه سنسور سیم متداول ترین هستند و از دقت و راحتی مطلوبی برخوردار هستند.

سنسور چهار سیم پیکربندی و اندازه گیری سنسور سیم و امکان اندازه گیری مقاومت سنسور را بدون تأثیر سیم های سرب فراهم می کند. در حالی که این روش بهترین دقت را ارائه می دهد ، بسیاری از کنترلرها / دستگاه های اندازه گیری صنعتی نمی توانند اندازه گیری چهار سیم واقعی را انجام دهند.

انتقال از سیم های سرب سنسور به سیم کشی میدان معمولاً در یک سر اتصال متصل به سنسور انجام می شود. از بلوک های ترمینال برای تسهیل اتصال استفاده می شود.

اثر سیم سرب
اندازه گیری دما با یک آشکارساز حساس به مقاومت یک ماده اندازه گیری می شود. از پل های نامتعادل Wheatstone برای اندازه گیری مقاومت استفاده می شود. هنگام اندازه گیری مقاومت در برابر عنصر سنجش ، کلیه فاکتورهای خارجی باید به حداقل رسیده و یا جبران شوند تا خوانایی دقیق به دست آید.
یکی از دلایل عمده خطا می تواند مقاومت سیم های سرب به ویژه در دو تنظیم سرب باشد.

مقاومت به صورت سری با المنت سربی است ، بنابراین بازخوانی ، مجموع مقاومت های المنت سربی و سیم های سرب RTD های دو سرب زمانی امکان پذیر است که المنت سنجش مقاومت بالایی داشته باشد و سیم های سرب مقاومت کمی دارند.

اگر مقاومت سیم سرب نسبتاً زیاد باشد ، باید جبران شود. جبران خسارت با پیكربندی سه سرب قابل دستیابی است. همانطور که در نمودار سه سیمه نشان داده شده است ، یک طرف منبع تغذیه از طریق L3 به یک طرف RTD منتقل می شود. این امر L1 و L2 را در بازوهای مخالف پل قرار می دهد بنابراین یکدیگر را از بین می برند و هیچ تاثیری در ولتاژ خروجی پل ندارند.

اتصالات سه سیم برای RTD ها بخصوص مقاومت در برابر عنصر سنجش کم توصیه می شود ، جایی که مقاومت در برابر سیم کوچک سرب می تواند تأثیر زیادی در دقت بازخوانی داشته باشد.

فرمول مقاومت RTD

اصطلاح “نسبت مقاومت” میانگین شیب دما در برابر مقاومت را توصیف می کند زیرا دمای RTD از 0 درجه سانتیگراد به + 100 درجه سانتی گراد تغییر می کند. عبارت نسبت مقاومت عبارت است از:

(R100-R0) / R0

جایی که:

R100 = مقاومت RTD در 100 درجه سانتی گراد.

R0 = مقاومت RTD در 0 درجه سانتی گراد.

نسبت مقاومت از نوع و خلوص فلز مورد استفاده در ساخت RTD متاثر می شود. بطور کلی ، RTD هایی که مقدار R0 بالایی دارند و دارای نسبت مقاومت بالایی هستند ، اندازه گیری دقیق آن آسان تر است ، اما سایر مشخصات فلز به کار رفته در سیم مقاومت هنوز هم بر روی ذاتی RTD تأثیر می گذارد.

RTD های پلاتینیوم موجود در کاربردهای صنعتی معمولاً مطابق با استاندارد IEC 60751 هستند. این RTD ها از مقاومت (138.5 Ω – 100 Ω) / 100 Ω = 0.385 Ω / درجه سانتیگراد برخوردار هستند. در یک کاربرد صنعتی معمولی ، این نوع RTD با قرار دادن آن در یک محفظه استیل ضدزنگ محافظت می شود.

در استاندارد های RTD درجه آزمایشگاهی از پلاتین با خلوص بالاتر با نسبت مقاومت بالاتر استفاده می شود: (139.2 Ω – 100 Ω) / 100 Ω = 0.392 Ω / درجه سانتیگراد. در دماهای بالاتر از 670 درجه سانتیگراد ، یون های فلزی آزاد شده از پراب استیل ضد زنگ ، پلاتین با خلوص بالا را آلوده می کنند و نسبت مقاومت آن را تغییر می دهند. به همین دلیل ، این RTD ها توسط پروب ساخته شده از شیشه سیلیس یا پلاتین محافظت می شوند. این مواد کاوشگر در دماهای بالا بی اثر باقی می مانند ، بنابراین RTD بدون آلودگی باقی می ماند.

مزایای استفاده از RTD های نیکل یا مس

نیکل در دمای 0 درجه سانتیگراد مقاومت بالایی ایجاد می کند و از نسبت مقاومت بالایی برخوردار است و اندازه گیری این RTD حساس را آسان می کند. این خصوصیات همچنین به دلیل مقاومت سیم سرب خطا را به حداقل می رساند. برای RTD ، خطای تقریبی ناشی از مقاومت سیم سرب است:

مقاومت سیم سرب / (R100-R0) x 0.01

مثلا:
RTD نیکل 2 سیم ، دمای مجرای هوا را اندازه گیری می کند. هر سیم سرب دارای مقاومت 0.25 Ω برای مقاومت در برابر سیم سرب 0.5 است.
بنابراین خطای ناشی از مقاومت سیم سرب می تواند به شرح زیر محاسبه شود:
0.5 Ω / (161.78 – 100) x 0.01 = 0.81 ° C. این تعداد کافی برای بسیاری از برنامه ها نزدیک است.
برای مقایسه ، در اینجا اعداد RTT پلاتین 2 سیم با همان مقاومت سیم سرب آورده شده است:
0.5 Ω / (138.5 – 100) x 0.01 = 1.3 درجه سانتیگراد.
از آنجا که یک RTD نیکل بسیار حساس است ، یک فرستنده کم هزینه و کم دقت می تواند RTD را با دقت قابل قبول اندازه گیری کند. RTD های نیکل در HVAC و سایر کاربردهای حساس به قیمت یافت می شوند.
RTD های مس دارای سرعت انبساط حرارتی و هیسترزای الکترومغناطیسی مشابه سیم پیچ های مسی مورد استفاده در موتورهای الکتریکی و ژنراتورها هستند. به همین دلایل ، RTD های مس گاهی برای اندازه گیری دمای سیم پیچ استفاده می شود.
مس همچنین دارای یک رابطه دمای بسیار خطی در مقابل مقاومت است. به همین دلیل ، امکان اندازه گیری دقیق یک دهانه دما باریک و بدون خطی سازی اضافی وجود دارد.

مثلا:
RTU Cu100 RTD مقاومت 100 Ω را در 0 درجه سانتیگراد و مقاومت 142.743 Ω در 100 درجه سانتیگراد ایجاد می کند. برون یابی خطی مقاومت نظری را در 50 درجه سانتیگراد می دهد:

(R100 – R0) / 2 + R0 = (142.743 – 100) / 2 + 100 = 121.3715 Ω

با توجه به جداول مقاومت در برابر درجه حرارت منتشر شده ، RTD مقاومت 121.3715 Ω را در 50 درجه سانتیگراد ایجاد می کند ، بنابراین RTD از نظر عملکردی بین 0 … + 100 ° C خطی است.

غیر خطی بودن مس آشکار نمی شود مگر اینکه یک فاصله وسیعی را اندازه گیری کند. به عنوان مثال ، اگر اندازه گیری 0 … + 200 درجه سانتیگراد باشد ، یک برون یابی خطی مقاومت نظری را در 100 درجه سانتیگراد به عنوان

(185.675 – 100) / 2 + 100 = 142.838 Ω

با توجه به جداول ، مقاومت RTD در 100 درجه سانتیگراد برابر با 142.743 Ω است.
تفاوت +0.095 Ω در درجه سانتی گراد: 0.095 Ω / 0.427 Ω در هر درجه = خطای + 0.222 درجه سانتی گراد.