سنسورهای RTD یا به عبارتی آشکارسازهای دمای مقاومتی (Resistance Temperature Detector) یکی از پرکاربرد ترین سنسورها در صنعت برای اندازه گیری دما می باشد.
آشکارسازهای دمای مقاومتی Resistance Temperature Detector) RTD)
آشکارسازهای دمای مقاومتی به دو گروه زیر تقسیم بندی می شوند.
- ترمیستور Thermistor
- سنسورهای مقاومتی فلزی
الف ) ترمیستور Thermistor
ترمیستور یک مقاومت تابع حرارت می باشد که معمولا به صورت مهره، قرص دایره و یا میله ای تولید میشود. شکل زیر چند نمونه ترمیستور در اشکال مختلف را نشان میدهد.
شکل های مختلف ترمیستور
ترمیستور Negative Temperature Coefficient) NTC)
ترمیستورها از جنس نیمه هادی ها می باشند. بدین صورت که با ترکیب کردن دو یا چند اکسید فلز مانند اکسیدهای کبالت، مس، آهن، منیزیم، نیکل، قلع، تیتانیوم و روی می توان یک ترمیستور با ضریب حرارتی منفی ساخت. ترمیستور ایجاد شده با افزایش دما مقدار مقاومت آن کاهش می یابد که به اختصار به آن NTC می گویند.
منحنی زیر تغییرات مقاومت نسبت به تغییرات دما را برای یک ترمیستور NTC نشان میدهد.
منحنی تغییرات مقاومت نسبت به تغییرات دما
با دقت در منحنی بالا مشخص است که رفتار ترمیستور غیر خطی است و تغییرات مقاومت NTC نسبت به دما را می توان از رابطه زیر به طور تقریبی محاسبه کرد.
رابطه محاسبه مقاومت NTC در دمای مختلف
R : مقاومت (بر حسب اهم) در دمای T
R0 : مقاومت اسمی در دمای T0
β : ضریب ثابت وابسته به جنس ترمیستور معمولا 4000
T0: دمای مرجع معمولا 25 درجه سانتی گراد یا 298 کلوبن
T : دمای مورد نظر بر حسب کلوین
ترمیستور Positive Temperature Coefficient) PTC)
در صورتی که در ساخت ترمیستور از مشتقات سرب یا استرانسیم استفاده شود، ترمیستوری با ضریب حرارتی مثبت ایجاد می شود. به این صورت که با افزایش دما مقدار مقاومت ترمیستور افزایش می یابد؛ به اختصار به این ترمیستور PTC می گویند.
معمولا مقدار مقاومت PTC در دمای 25 درجه سانتی گراد بیان می شود. همچنین علاوه بر این مقدار دمایی را که در آن مقاومت PTC دو برابر می شود را قید می نمایند که به این دما، دمای سوئیچ گویند.
شکل زیر منحنی تغییرات مقاومت نسبت به دما را برای ترمیستور PTC نشان میدهد.
منحنی تغییرات مقاومت PTC نسبت به دما
ترمیستورها را می توان در رنج دمای 60 الی 150 درجه سانتی گراد مورد استفاده قرار داد. ترمیستورهای PTC در صنایع کاربرد زیادی دارند. به طور مثال برای حفاظت سیم پیچهای موتورها در برابر افزایش دما با نصب PTC بر روی سیم پیچ های موتور، می توان دمای سیم پیچهای موتور را اندازه گیری کرد و در صورت بالا رفتن دما سیم پیچهای موتور را از شبکه خارج کرد.
خروجی ترمیستور معمولا به سیستم های حفاظتی و یا کنترلی متصل می گردد، که این سیستم ها با قرائت مقاومت ترمیستور دما را اندازه گیری مینمایند. به طور مثال می توان از کارت های ورودی آنالوگ PLC که قابلیت اتصال به ترمیستور را دارند استفاده کرد. البته می توان از رله های مانیتورینگ ترمیستور برای اندازه گیری و کنترل دما استفاده کرد.
شکل مقابل نمونه ای از یک رله حفاظت موتور ترمیستوری را نشان میدهد.
رله حفاظت موتور ترمیستوری
از ترمیستور PTC می توان به صورت مستقل برای حفاظت سیم پیچها نیز استفاده کرد. بدین صورت که با قرار دادن یک ترمیستور PTC داخل سیم پیچی و سری کردن آن با سیم پیچ، در صورتی که دمای سیم پیچ افزایش یابد، مقاومت ترمیستور ناگهان زیاد شده و جریان عبوری از سیم پیچ را محدود می کند. برای اندازه گیری دما با استفاده از ترمیستور می توان از پل های مقاومتی استفاده کرد و خروجی آن را با یک تقویت کننده عملیاتی افزایش داد.
در شکل زیر یک نمونه از این مدار نشان داده شده است.
مدار اتصال ترمیستور به سیم پیچ
مزایا و معایب ترمیستور
همان طور که گفته شد ترمیستور کاربرد زیادی دارد، از جمله کاربردهای ترمیستور در اندازه گیری دمای موتور اتومبیل ها و همچنین دستگاه های پزشکی می باشد. دلیل کاربرد زیاد ترمیستورها مزایای آنها می باشد که در زیر چند مورد از مزایای ترمیستور ذکر شده است.
- سادگی
- عمر بالا
- حجم پایین
- ثابت زمانی پایین
- قیمت پایین
ترمیستورها على رغم مزایای زیاد دارای معایبی نیز می باشند که عبارتند از :
- مشخصه غیر خطی
- دقت پایین
- تلرانس بالا (بین 10 تا 20%)
- محدوده ی رنج اندازه گیری پایین
ب) سنسورهای مقاومتی فلزی
سنسورهای مقاومتی فلزی یا همان RTD ها به صورت مقاومت های سیمی هستند و معمولا به شکل یک سیم پیچ غير القایی با جنس سیم فلزی مانند مس و نیکل ساخته میشوند. و برای حفاظت آن در داخل پوششی از جنس فولاد زنگ نزن قرار می گیرند.
مقاومت سیم مورد استفاده در این سنسور در اثر افزایش دما افزایش یافته، در نتیجه می توان با اندازه گیری مقاومت RTD دما را اندازه گیری کرد. البته در حال حاضر تکنولوژی ساخت RTD متحول شده و از فیلم نازک استفاده میشود که به شدت قیمت این سنسورها را کم کرده است. ساختار فیلم نازک معمولا از لایه نشانی فلز پلاتین بسیار نازک (بین 10 تا 100 آنگستروم) بر روی زیر لایه، از جنس سرامیک می باشد.
شکل زیر ساختار یک فیلم نازک را نشان میدهد.
ساختار یک فیلم نازک
به منظور حفاظت المان فیلم نازک، آن را در یک غلاف محافظ مطابق شکل زیر قرار میدهد.
قسمت های مختلف PT100
برای ساخت RTD ها می توان از فلزات مختلفی استفاده کرد اما بهترین فلزات مورد استفاده، فلزاتی هستند که رابطه بین تغییرات مقاومت نسبت به دمای آنها خطی بوده و همچنین تغییرات مقاومت آن نسبت به دما نیز زیاد باشد. سه فلز مس، پلاتین و نیکل تغییرات مقاومت مناسبی را نسبت به دما دارند و معمولا برای ساخت RTD ها از این فلزات استفاده میشود.
انتخاب صحیح RTD
انتخاب جنس و نوع RTD ها بر اساس محدوده دمای مورد اندازه گیری و شرایط محیط نصب آنها صورت می گیرد. در زیر چند نوع از RTD های پرکاربرد ذکر شده است.
مشخصات چند نمونه RTD پرکاربرد
RTD های ساخته شده از پلاتین مطابق با استاندارد DIN در دو کلاس A و B تولید میشوند. کلاس A که معمولا نمونه آزمایشگاهی می باشد، دقت بسیار بالایی دارد و میزان تلرانس آن در صفر درجه سانتی گراد، 0.069-/+ بوده و کلاس B که معمولا کاربرد صنعتی دارد، دارای دقت پایین تری نسبت به کلاس A می باشد ( ۰/122-/+ در صفر درجه سانتی گراد).
سنسور PT100
لازم به ذکر است که دقت RTD ها با افزایش دما کاهش می یابد. متداول ترین RTD مورد استفاده در صنایع PT100 می باشد، که در ساخت آن از پلاتین استفاده شده است. به دلیل عملکرد خطی پلاتین، منحنی تغییرات مقاومت نسبت به دمای PT100 تقریبا مطابق منحنی زیر، خطی می باشد.
منحنی تغییرات مقاومت نسبت به دمای PT100
همان طور که از این منحنی مشخص است مقاومت PT100 در صفر درجه سانتی گراد برابر با 100 اهم می باشد. مقاومت RTD در دما های مختلف را می توان از رابطه زیر بدست آورد.
R : مقاومت RTD در دمای T
R0 : مقاومت RTD در دمای صفر درجه سانتی گراد
T : دمای RTD بر حسب درجه سانتی گراد
a1,a2,…an : ضرایب ثابت وابسته به جنس RTD
با استفاده از رابطه قبل می توان به صورت دقیق مقدار مقاومت PT100 یا هر نوع فلزی را در دما های مختلف محاسبه کرد، اما با توجه به اینکه تغییرات مقاومت PT100 تقریبأ خطی می باشد می توان ضرایب را در محاسبه مقاومت PT100 لحاظ نکرد و از رابطه زیر استفاده کرد.
R = R0 (1+aT)
در رابطه فوق a ضریب مقاومت حرارتی می باشد، که برای المان PT100 مقدار آن طبق استاندارد 43760-DIN برابر با 0.00385 می باشد و R0 مقاومت المان در صفر درجه سانتی گراد است که برای PT100 برابر با 100 اهم می باشد.
مثال
مقاومت یک PT100 را در دمای 100 درجه سانتی گراد محاسبه کنید :
R = RO (1+aT)
(100 R = 100 (1+0.00385 x
R = 138.5 Ω
برای محاسبه دقیق مقاومت PT100 می توان از جداول ارائه شده در ادامه استفاده کرد. همانطور که از این جداول مشخص است مقاومت PT100 در دمای 100 درجه سانتی گراد برابر با 138.51 اهم می باشد که در مثال بالا تقریبا همین مقدار حاصل شد.
جدول مقدار مقاومت PT100 در دماهای مختلف
جدول مقدار مقاومت PT100 در دماهای مختلف
انواع PT100
PT100 ها به صورت دو، سه و یا چهار سیمه ساخته میشوند. در ادامه به نحوه اتصال و خصوصیات هر کدام می پردازیم.
PT100 دو سيمه
برای اندازه گیری دما توسط PT100 می توان از پل های مقاومتی استفاده کرد. شکل زیر نمونه ای از یک پل مقاومتی به همراه اتصال یک PT100 دو سيمه را نشان میدهد.
یک پل مقاومتی به همراه اتصال یک PT100 دو سيمه
در اتصال دو سيمه زمانی ولتاژ E برابر با صفر است که پل در حالت تعادل باشد. برای حالت تعادل پل، رابطه زیر باید برقرار باشد.
رابطه تعادل پل مقاومتی
مزیت استفاده از PT100 دو سيمه صرفه جویی در مصرف سیمهای ارتباطی می باشد. اما با توجه به اینکه معمولا بین محل نصب PT100 و تجهیزات مانیتورینگ این سنسور فاصله زیادی می باشد، در موقع استفاده از PT100 دو سيمه مقاومت سیم های ارتباطی (RL1 و RL2 ) با مقدار اندازه گیری شده جمع شده که سبب بالا رفتن خطا در اندازه گیری می شود.
PT100 سه سیمه
عیب اتصال PT100 دو سيمه خطای بالا در اثر مقاومت سیم های رابط می باشد، که می توان با استفاده از اتصال سه سیمه PT100 تا حد زیادی اثر مقاومت سیمهای رابط را در مقدار اندازه گیری خنثی کرد. در واقع اتصال مقاومت RL1 توسط RL3 جبران میشود. لازم به ذکر است که PT100 سه سیمه بیشترین کاربرد را در صنایع دارد.
اتصال PT100 سه سیمه در مدار
در اتصال سه سیمه زمانی ولتاژ E برابر با صفر است که پل در حالت تعادل باشد. برای حالت تعادل پل رابطه زیر باید برقرار باشد.
رابطه حالت تعادل پل
PT100 چهار سیمه
اتصال چهار سیمه بالاترین دقت را در اندازه گیری ارائه میدهد، اما در این روش نیاز به منبع جریان ثابت می باشد و همچنین هزینه سیمهای رابط در این اتصال بالاتر از دو اتصال قبل می باشد.
شکل مقابل این اتصال را نشان میدهد.
اتصال PT100 چهار سیمه در مدار
نکته
در اتصال PT100 های سه سیمه و چهار سیمه باید به این نکته توجه داشت که سیم های رابط می بایست از یک نوع باشند. در غیر این صورت اگر مقاومت سیمها با هم متفاوت باشند در مقدار اندازه گیری خطا ایجاد میشود.
مزایا و معایب سنسور PT100
بیشترین سنسوری که برای اندازه گیری دما در صنایع مختلف استفاده می شود PT100 میباشد. علت این امر مزایای زیاد آن می باشد، که به چند مورد آن اشاره شده است.
- عملکرد خطی در کل رنج اندازه گیری
- دقت و حساسیت اندازه گیری زیاد (بالاتر از ترموکوپل)
- امکان استفاده از سیم های رابط معمولی
- رنج اندازه گیری نسبتا خوب (200- تا 850 درجه سانتی گراد)
- پایداری خوب در دماهای بالا
- سرعت پاسخ بالا به تغییرات دما (بسیار بالاتر از ترموکوپل)
- برخلاف ترموکوپل تشعشعات رادیو اکتیو (بتا و گاما) بر روی مقدار اندازه گیری تأثیر ندارد
PT100 على رغم داشتن مزایای زیاد دارای معایب زیر میباشد :
- خطای خود گرمایی در اثر عبور جریان
- برای دماهای بالاتر از 850 درجه سانتی گراد قابل استفاده نیست
- قیمت نسبتا بالا (بالاتر از ترموکوپل)
- قطع شدن یکی از سیم ها مانند یک دمای بسیار بالا دیده میشود