با سلام دراین مقاله در وبسایت دیاکو قصد داریم به سنسور RTD بپردازیم.

سنسور RTD چیست؟ یک حسگر دمایی می باشد که برای اندازه‌گیری دما مورد استفاده قرار می‌گیرد. در این نوشته میخواهیم به معرفی این سنسور ،انواع آن و کاربرد هایش بپردازیم.

سنسور RTD چیست؟
مقدمه

این مقاله حاوی همه چیزهایی است که باید در مورد سنسورهای RTD بدانید.

در مورد موضوعاتی مانند:

سنسور RTD چیست؟
انواع المان های حسگر RTD
نحوه عملکرد سنسور RTD
انواع سنسورهای RTD
و خیلی بیشتر…

 

RTD، آشکارساز دمای مقاومتی، یک دستگاه سنجش دما غیرفعال است که بر اساس این اصل کار می‌کند که مقاومت فلز با تغییر دما تغییر می‌کند. جریان الکتریکی که از عنصر یا مقاومت سنسور عبور می کند، مقدار مقاومتی را ایجاد می کند که توسط یک ابزار متصل اندازه گیری می شود که آن را با دما بر اساس ویژگی های مقاومت سنسور RTD مرتبط می کند.

             

با افزایش دمای فلز، مقاومت فلز در برابر جریان الکتریسیته افزایش می یابد. حسگرهای RTD دمای موادی را که با تغییر دمای مواد دارای تغییر قابل پیش بینی مقاومت هستند، اندازه گیری می کنند. استفاده از سنسور RTD به دلیل دقت، تکرارپذیری و پایداری آنهاست.

 انواع عناصر حسگر RTD

طیف گسترده ای از انواع عناصر مورد استفاده برای ساخت سنسورهای RTD وجود دارد. هر یک از انواع مختلف با استانداردهای مختلف مطابقت دارند، محدوده دمایی متفاوتی را اندازه گیری می کنند، در مجموعه ای از اندازه ها هستند و استانداردهای متفاوتی برای دقت دارند. عملکرد اصلی آنها برای اندازه گیری دما با مقاومت یکسان است و هر نوع دارای یک مقدار مقاومت از پیش تعیین شده برای محدوده خاص دماهای خود است.

عناصر مقاومتی بخش مرکزی یک RTD هستند و برای استفاده به شکل خام بسیار خشن و حساس هستند، به این معنی که باید محافظت و محافظت شوند. قرائت یک RTD با اهم (Ω) اندازه گیری می شود، یک واحد الکتریکی برای اندازه گیری مقاومت.

فلزات مختلفی که به عنوان عناصر مقاومتی استفاده می شوند دارای اندازه گیری مقاومت برای محدوده های مختلف دما هستند.

عنصر حسگر RTD جزء حسگری است که با تغییر دما مقاومت آن تغییر می کند. رایج ترین عنصر پلاتین است. عناصر دیگر فلزات عبارتند از مس، نیکل، تنگستن، بالکو و ایریدیوم.

پلاتین

عناصر سنسور پلاتین از سیم پلاتین خالص ساخته شده اند و دارای ضریب دمایی مثبت هستند. پایداری خطی و بلند مدت عناصر پلاتین RTD آنها را به یک حسگر بسیار دقیق برای کاربردهای صنعتی تبدیل می کند. عناصر پلاتین RTD می‌توانند از سیم‌های مسی استفاده کنند و برای کاربردهای صنعتی که محدوده دمایی وسیعی دارند که به پایداری و خطی بودن نیاز دارد، مناسب هستند.

نیکل

عناصر نیکل به دلیل مقدار مقاومت در هر درجه تغییر دما، محدوده دمایی محدودی دارند و بیش از 300 درجه سانتیگراد یا 572 درجه فارنهایت غیر خطی می شوند، که پردازش دما را از بین می برد و نیاز به تصحیح خطا دارد. آنها مقاومت در برابر خوردگی خوبی دارند و نسبت به RTD های پلاتین قیمت کمتری دارند اما به سرعت پیر می شوند و دقت خود را از دست می دهند. محدوده دمایی آنها 80- تا 260 درجه سانتیگراد یا -112 درجه فارنهایت تا 500 درجه فارنهایت است.

فلز مس

مس مقاومت خطی خوبی در رابطه با تغییر دما دارد اما به دلیل نیروهای مقاومت کم آن به عنصر طولانی تری نسبت به پلاتین نیاز دارد. این واقعیت که مس اکسید می شود، استفاده از آن را به دمای کمتر از 150 درجه سانتی گراد یا 302 درجه فارنهایت محدود می کند. استفاده از RTD های مس به اندازه گیری سیم پیچ برای موتورها، ژنراتورها و توربین ها محدود می شود.

اگرچه عناصر مسی خطی بودن خوبی دارند و نسبت به سایر انواع RTD ارزان‌تر هستند، اما به سرعت خطی بودن خود را از دست می‌دهند و جابجا می‌شوند، که پردازش دمایی را کاهش می‌دهد. کاربردهایی که فاقد اتمسفر اکسید کننده هستند از عناصر مسی به دلیل خطی بودن و هزینه کم استفاده می کنند.

بالکو

سنسورهای ساخته شده از Balco یک آلیاژ مقاومت آنیل شده از 70% نیکل و 30% آهن هستند. سنسور Balco 500 اهم مقاومت خطی نسبی را در دماهای بین -40 درجه تا 116 درجه یا -40 درجه تا 240 درجه ایجاد می کند. رسانایی حرارتی بالکو مشابه نیکل است اما مقاومتی دو برابر بیشتر دارد. سنسورهای Balco RTD مانند مس، کم هزینه با ضریب مقاومت بالا و خطی بودن استثنایی و همچنین خواص مکانیکی قوی و مقاومت در برابر خوردگی هستند.

تنگستن

ویژگی اصلی تنگستن مقاومت بالای آن است که آن را برای کاربردهای دمای بالا ایده آل می کند. مشکل تنگستن این است که شکننده است و کار کردن و شکل دادن آن دشوار .

سایر فلزات

همه فلزات برای تغییر مثبت دما، تغییر مثبت در مقاومت ایجاد می کنند. اگرچه این درست است، اما برخی از فلزات مقاومت بهتری نسبت به سایرین دارند، که آنها را برای استفاده از حسگر RTD بهتر می کند. دو فلزی که به ندرت برای سنسورهای RTD استفاده می شوند طلا و نقره هستند زیرا ضریب مقاومت کمی دارند.

هنگام بررسی یک فلز برای استفاده در RTD، مهمترین عامل خلوص آن است، زیرا خلوص یک فلز به شدت بر مقاومت آن تأثیر می گذارد. برای تعیین و تعیین عناصر برای استفاده در RTD، مقاومت آنها بر حسب اهم (Ω) در صفر درجه سانتیگراد اندازه گیری می شود. این باید به 100 Ω مقاومت منجر شود.

 

حسگر RTD چگونه کار می کند

اصل کار یک سنسور RTD نسبتا ساده است. وقتی دمای فلز بالا می رود، همه انواع فلز دارای ضریب مقاومت هستند. مقاومت را می توان اندازه گیری کرد و برای ارائه خوانش دما استفاده کرد.

سنسورهای RTD به دلیل دقت و مقاومت در برابر دما، ارتعاشات و شوک به بخش مهمی از فرآیندهای تولید و حساس دما تبدیل شده‌اند. مقدار محدودی از جریان DC برای فعال کردن سنسور و جلوگیری از گرمای بیش از حد ناشی از جریان زیاد استفاده می شود.

هنگام قرار دادن سنسور در یک برنامه، توصیه می شود یک ترموول، یک لوله انتهایی بسته نصب شده روی جریان فرآیند داشته باشید. این فرآیند گرما را به دیواره ترموول و به سنسور منتقل می کند. ترموول یک برآمدگی رسانای حرارتی است که در یک خط فرآیند قرار می گیرد که امکان قرار دادن دستگاه های حسگر را بدون نیاز به باز کردن سوراخ در خط می دهد.

اکثر سنسورهای RTD دارای یک غلاف محافظ ساخته شده از فولاد ضد زنگ یا Inconel هستند که از عنصر حسگر در برابر محیط و ضربه های مکانیکی محافظت می کند. این اجازه می دهد تا انتهای اندازه گیری سنسور مستقیماً در ناحیه اندازه گیری قرار گیرد. سیم پایانه آن را به دستگاه ضبط اندازه گیری متصل می کند.

درج

هنگام قرار دادن سنسور در خط، مهم است که کابل های سر اتصال مستقیم باشند و در حین پیچاندن سنسور پیچ نخورده باشند. جدا کردن سیم ها هنگام قرار دادن سنسور از بروز مشکل در کابل ها جلوگیری می کند.

برای اطمینان از کالیبراسیون خوب، تمام سیم های اتصال باید یک اندازه و طول داشته باشند. عمق درج باید ده برابر قطر ساقه باشد.

نمودار زیر نمونه ای از سنسور RTD درج شده با استفاده از ترموول است.

تنظیم

فرکانس کالیبره شدن RTD به چرخه دما، ارتعاشات و شوک بستگی دارد. در بیشتر موارد فرکانس کالیبراسیون توسط کاربر تعیین می شود. کالیبراسیون سنسور با مقایسه مقاومت آن با یک استاندارد کار به دست می آید. بهترین روش برای کالیبراسیون این است که وقتی سنسور در موقعیت کاری خود قرار دارد، آن را کامل کنید.

اگرچه اکثر سنسورها دارای یک غلاف محافظ هستند یا در یک ترموول نصب می‌شوند، بخشی از فرآیند تعمیر و نگهداری، بررسی آسیب‌های ناشی از خوردگی، شوک، لرزش یا عوامل دیگر است. سنسورهای آسیب دیده باید تعویض شوند.

انواع سنسورهای RTD

انواع مختلف سنسورهای RTD بر اساس ساختار عنصر حسگر دما طبقه بندی می شوند. دو نوع رایج عبارتند از: لایه نازک و زخم سیم. نوع سنسور RTD مورد استفاده با توجه به محیطی که در آن مورد استفاده قرار می گیرد و برنامه کاربردی تعیین می شود.

استفاده از سنسورهای دمای مقاومتی از اواسط انقلاب صنعتی اول آغاز شد و با استفاده از سیم مسی و گالوانومتر مونتاژ شدند. وقتی مشخص شد که پلاتین می تواند طیف وسیع تری از دماها را اندازه گیری کند، جای سیم مسی را با پلاتین گرفت.

سنسورهای RTD از عناوین کلاس A، کلاس B یا کلاس C استفاده می کنند که توسط استاندارد بین المللی IEC 751 مشخص شده است. استانداردهای مورد استفاده برای ساخت سنسورهای RTD در رابطه با منحنی ها و تلورانس های آنها با رایج ترین استاندارد منحنی DIN است. در منحنی DIN، ویژگی‌های مقاومت در برابر دمای یک سنسور پلاتین، 100 اهم با تلورانس‌های استاندارد و محدوده دمایی قابل اندازه‌گیری گنجانده شده است.

سازندگان تلورانس سنسورهای RTD خود را با استفاده از طبقه‌بندی A و B فهرست‌بندی، توصیف و تعیین می‌کنند.

PARAMETER	IEC 751 Class A	IEC 751 Class B
R0 (Base Resistance)	100Ω ± 0.06%	100Ω ± 0.12%
α (Alpha)	α = 0.00385±0.000063z/z/·C	α = 0.00385±0.000063z/z/·C
Applicable Range	-200°C to +650°C	-200°C to +850°C
Resistance Tolerance	±(0.06 + 0.0008*|T| – 2*10-/*T2Ω (±0.06% at 0°C)	±(0.12 + 0.0019*|T| – 6*10-/*T2Ω (±0.12% at 0°C)
Temperature Deviation	±(0.15 + 0.002*|T|)°C	±(0.3 + 0.005*|T|)°C

 

سنسورهای RTD لایه نازک

عناصر RTD لایه نازک دارای یک لایه نازک از فلز هستند که بر روی بستر یک ماده سرامیکی قرار گرفته است. فیلم فلزی در یک الگوی مدار الکتریکی حک می شود که مقدار لازم مقاومت را ارائه می دهد. تصویر زیر نمونه ای از شکل رایج الگوی مقاومت است. سیم های سربی متصل می شوند و یک پوشش محافظ روی بستر و عنصر اعمال می شود.

سنسورهای RTD لایه نازک ناهموار، قابل اعتماد و مقاوم در برابر ضربه و آسیب لرزش هستند. از آنجایی که آنها مسطح هستند، می توان آنها را برای چندین کاربرد مهندسی کرد و در مجموعه ای از انواع مقاومت، تحمل ها، اندازه ها و شکل ها موجود است.

سنسورهای سیم پیچ RTD

نسخه سیم پیچ شده RTD دارای سیم پیچی در اطراف بیرون محفظه سرامیکی یا شیشه ای است که در نمودار زیر به آن بوبین اشاره شده است. سنسورهای RTD هسته شیشه ای را می توان در مایعات غوطه ور کرد. سنسورهای RTD با هسته های سرامیکی می توانند دماهای شدید را به دقت اندازه گیری کنند. حسگرهای سیم پیچ RTD به مهندسی فنی ماهر و فرآیندهای ساخت بسیار پیشرفته نیاز دارند. این بدان معنی است که آنها گرانتر از سنسورهای فیلم نازک هستند.

 

سنسورهای سیم پیچ RTD

حسگرهای RTD سیم پیچی دارای سیم نازکی هستند که در یک محفظه سرامیکی یا شیشه ای پر شده با پودر غیر رسانا محصور شده است. سیم مقاومت می تواند با تغییرات دما منبسط و منقبض شود و خطاهایی را که ممکن است در اثر فشار مکانیکی ایجاد شود به حداقل برساند. پودر محکم بسته بندی شده در اطراف سیم انتقال حرارت را افزایش می دهد و زمان پاسخ سنسور را بهبود می بخشد. محفظه سرامیکی یا شیشه ای معمولاً در یک غلاف فلزی محافظ قرار می گیرد.

سنسورهای RTD PT100

“pt” در نام PT100 نشان می دهد که سنسور با یک عنصر پلاتین ساخته شده است. 100 ضریب مقاومت آن است. سنسور PT100 RTD یکی از دقیق ترین ابزارهای اندازه گیری دما با ضریب مقاومت 100 Ω در 0 درجه سانتی گراد یا 32 درجه فارنهایت با رانش بسیار کمی در طول زمان است. چندین نسخه از PT100 وجود دارد که دارای ضرایب دمایی متفاوتی هستند که با حرف یونانی آلفا یا α نشان داده شده است. رایج ترین آنها “385” است.

سنسورهای RTD PT1000

PT1000 دومین سنسور مقاومتی پرکاربرد با ضریب مقاومت 1000 Ω است و عمدتاً در دو کاربرد سیمی استفاده می شود. دارای مقاومت استثنایی است و بسیار دقیق است و در طول زمان جابجا می شود. اعوجاج در سیم های سربی کمتر قابل توجه است و تنها درصد کمی از مقاومت کل است.

PT1000 مقدار مقاومت بالاتری دارند و جریان کمتری نیاز دارند. آنها برای پیکربندی هایی که انرژی کمتری مصرف می کنند مناسب هستند. از آنجایی که مصرف برق کم است، گرمای کمتری تولید می کنند و خطاهای کمتری ناشی از خود گرمایشی دارند.

دو سنسور RTD سیمی

نوع دو سیم RTD ساده ترین طراحی مدار است. یک سیم سرب به هر انتهای عنصر متصل می شود. مقاومت در مدار با اندازه گیری مقاومت در سیم های سرب و کانکتورها محاسبه می شود. این منجر به مقداری خطا یا بازخوانی می شود که بالاتر از دمای اندازه گیری شده واقعی است. این را می توان با کالیبراسیون از بین برد.

 

سنسور سه سیم RTD

پیکربندی سه سیم بیشترین کاربرد را در کاربردهای صنعتی دارد. دو سیم به یک سر سنسور A و B و به دستگاه نظارت متصل است. سیم سوم، C، به المنت متصل است. طول سه سیم برابر است، بنابراین مقاومت آنها برابر است. پیکربندی سه سیم نیز دارای خطاهایی است که باید با کالیبراسیون تنظیم شوند.

 

سنسور چهار سیم RTD

پیکربندی چهار سیم پیچیده‌ترین، زمان‌برترین و گران‌ترین برای نصب است، اما دقیق‌ترین و دقیق‌ترین قرائت‌ها را ایجاد می‌کند. جریان DC از طریق دو سیم A و C تامین می‌شود. افت ولتاژ توسط دو سیم دیگر B و D اندازه‌گیری می‌شود. افت ولتاژ و جریان شناخته شده است و باعث می‌شود که مقاومت و همچنین دما در سراسر سیستم به راحتی قابل خواندن باشد.

 

گونه‌ای از طرح چهار سیم دارای دو سیم قرمز است که با پیکربندی سفیدی که حلقه‌دار است به عنصر متصل می‌شود. این طرح ترکیبی از روش های سه و چهار سیم است.

ممنون از همراهی شما 

راسا الکترونیک دیاکو