6 اردیبهشت 1401

سنسور RTD چیست؟

بازدید: 1539

6 اردیبهشت 1401

سنسور RTD چیست؟

بازدید: 1539

سنسورRTD چیست؟ سنسور‌های RTD یا سنسورهای دمای مقاومتی برای اندازه گیری دما بر اساس قانون مقاومت الکتریکی عمل می‌کنند

سنسور RTD چیست ؟

سنسور دمای مقاومتی یا RTD (Resistance Temperature Detector) یک قطعه الکترونیکی پسیو است که دما را به صورت تماسی و با اندازه‌گیری مقاومت یک سیم مشخص می‌کند. یعنی با تغییر حرارت؛ مقاومت آن نیز تغییر می‌کند. وقتی می‌خواهید دما را با دقت بالا اندازه گیری کنید، RTD راه‌حل ایده‌آلی است، زیرا ویژگی‌های خطی خوبی در طیف وسیعی از دماها دارد. سایر قطعات الکترونیکی رایج که برای اندازه‌گیری دما استفاده می شوند؛ ترموکوپل‌ها و ترمیستورها هستند.

{ درباره مفاهیم ولتاژ، جریان و مقاومت بیشتر بدانید }

نحوه عملکرد سنسور RTD

تغییر مقاومت فلز با تغییر دما به صورت زیر است :

که در آن، Rt و R0 مقادیر مقاومت در دماهای t و t0 (برحسب درجه سانتی‌گراد) هستند. α و β نیز ثابت‌هایی هستند که به جنس فلزات بستگی دارند. البته فرمول بالا برای محدوده‌های وسیع دمایی است. برای یک بازه کوچک دما خواهیم داشت:

در سنسورهای RTD؛ مس، نیکل و پلاتین فلزات پرکاربردی هستند. این سه فلز با تغییرات دما، تغییرات مقاومتی متفاوتی نشان می‌دهند. نمودار مشخصه دما – مقاومت این سه فلز را در شکل رو‌به‌رو ملاحظه می‌کنید:

محدوده دمای کاری پلاتین 650 درجه سانتی‌گراد و مس و نیکل به ترتیب 120 درجه و 300 درجه سانتیگراد است. شکل1 تغییرات مقاومت بر اساس دما را برای این سه فلز نشان می‌دهد. به طور مثال برای پلاتین با توجه به شیب نمودار؛ مقاومت تقریباً 0.4 اهم در هر درجه سانتی‌گراد دما تغییر می‌کند.

خلوص پلاتین با اندازه‌گیری R100 / R0 بررسی می‌شود. زیرا، موادی که برای ساختن RTD استفاده می‌شود، باید خالص باشند. در غیر اینصورت، از نمودار مقاومت-دمای معمولی منحرف خواهد شد. بنابراین، مقادیر α و β بسته به فلزات تغییر خواهند کرد.

انواع سنسور دمای مقاومتی (RTD)

سه نوع مختلف سنسور RTD از لحاظ شکل ساخت وجود دارد:

سنسور RTD سیم‌پیچی‌شده

سنسور RTD لایه‌نازک

سنسور RTD با سیم‌پیچ‌ریز

هر کدام از این سنسورها مزایا و معایبی دارند که در ادامه به آنها پرداخته می‌شود:

سنسور RTD سیم‌پیچی شده

سنسور RTD سیم‌پیچی‌شده از یک سیم نازک (سیم همان المان مقاومتی است که هرگونه تغییر را حس می‌کند) که به دور یک هسته نارسانا پیچیده شده، ساخته‌ می‌شود. این سیم مقاومتی معمولا از جنس سرامیک، پلاتین، نیکل یا مس می‌باشد.چراکه هر کدام از این ماده‌ها از رابطه دقیق خطی بین مقاومت و تغییرات دمایی برخوردار هستند. در ادامه درباره هر کدام از فلزات بیشتر توضیح خواهیم داد.

نازکی سیم به اندازه‌ای شده است تا مقاومت مشخص در دمای صفر درجه سانتی‌گراد به دست آید. این مقاومت با عنوان مقاومت «R₀» شناخته می‌شود. بسیار مهم است که سیم مقاومتی با افزایش حرارت در برابر خمش و پیچش مقاومت کند زیرا این فشار مکانیکی می‌تواند موجب تغییر مقاومت شده و در پی آن نتیجه اندازه‌گیری را با اعوجاج همراه کند.

این ساختار نسبتا شکننده است که به همین دلیل سنسورهای RTD معمولا در داخل پوشش شیشه‌ای محافظت می‌شوند و گاهی اوقات حتی در داخل غلاف فلزی قرار داده می‌شوند. این پوشش شیشه‌ای و غلاف فلزی به همراه نصب سیم‌های رابط، مراحل بعدی ساخت را تشکیل می‌دهند.

سنسورهای RTD لایه‌نازک

سنسور‌های RTD لایه‌نازک از یک زیرلایه سرامیکی که در امتداد آن یک لایه نازک پلاتینی لایه‌نشانی شده‌است، ساخته شده‌اند. برای محافظت از لایه و کل مجموعه، عموما از شیشه یا اپوکسی به عنوان لایه پوششی بهره گرفته می‌شود. اکثر سنسور‌های RTD لایه‌نازک، تا دمای 300 درجه سانتی‌گراد بکار برده می‌شوند؛ اگرچه برخی از ساختار‌های ویژه در محدوده دمایی بالاتر نیز کار می‌کنند.

سنسورهای دمای RTD لایه‌نازک هزینه کمتری نسبت به سنسور‌های سیم‌پیچی‌شده و سیم‌پیچ‌ریز دارند، بنابراین در کاربرد‌های صنعتی پرطرفدارند؛ اما مانند دیگر سنسور‌ها دقت بالایی ندارند چون مقدار مقاومت R₀ آنها را نمی‌توان بادقت تنظیم کرد. این سنسور‌ها همچنین نسبت به پدیده خودگرمایی حساس‌تر هستند زیرا اندازه آنها کوچک می‌باشد.

سنسور‌های RTD سیم‌پیچ‌ ریز

در این پیکربندی، سیم مقاومتی به شکل سیم‌پیچ‌ریز درآورده‌شده‌است که در اثر تغییر در دما می‌تواند تغییر‌شکل داده و منبسط شود. این شکل سیم‌پیچ از فشار مکانیکی ناشی از دما در اثر تغییر مقاومت جلوگیری کرده و مانع هرگونه اثرگذاری بر اندازه‌گیری می‌شود. این سیم‌پیچ‌های ریز، داخل یک بدنه سرامیکی نصب شده‌اند و نوعی پودر نارسانا اطراف آنها را احاطه‌کرده‌است.

سنسورهای RTD سیم‌پیچ‌ریز در کاربردهای صنعتی بسیار پرطرفدارند. معمولا برای محافظت، آنها را داخل یک غلاف فلزی قرار می‌دهند.

چگونگی اندازه‌گیری دمای سنسورهای RTD

سنسور‌های RTD بر اساس قانون مقاومت الکتریکی عمل می‌کنند. لازم است مقدار جریان اندکی از میان آنها عبور کند تا بتواند تغییر در مقاومت را اندازه‌گیری کند. بنابراین شرایط سیگنال تولیدی سیستم دریافت دیتا باید به گونه‌ای باشد که ولتاژ منبع تغذیه سنسور یا ولتاژ تحریک آن را فراهم کند تا بتواند از آن خروجی بگیرد.

سنسورهای RTD طبق این قانون عمل می‌کنند که رابطه بین مقاومت و حرارت برخی فلزات مشخص، فوق‌العاده دقیق و پایدار می‌باشد. فلز مس بهترین نسبت مقاومت به حرارت را داراست، اما کارایی سنسور‌های RTD پلاتینی در دما‌های بالا را ندارد.

R v.T

به عبارت دیگر، مقدار تغییر مقاومت به ازای تغییرات دمایی به شدت خطی است و در بازه‌های زمانی مشخص تکرار می‌شود؛ این پارامتر همچنین با عنوان ضریب حرارتی مقاومت شناخته می‌شود.

می‌توانیم تغییر دما را با اندازه‌گیری این تغییر مقاومت به دست بیاوریم. فلزات مختلف، دقت‌های متفاوت و محدوده دمایی جداگانه‌ای دارند:

نوع سنسور RTD	حداکثر محدوده اندازه‌گیری	پایداری	مقاومت در برابر خوردگی	رابطه خطی مقاومت و حرارت
پلاتین	200- تا 850 درجه C	عالی	عالی	خوب
نیکل	80- تا 260 درجه C	متوسط	خوب	متوسط
مس	200- تا 260 درجه C	خوب	متوسط	عالی

نسبت مقاومتی یک سنسور RTD چیست؟

شیب تغییر مقاومت براساس تغییر دما به عنوان نسبت مقاومتی شناخته می‌شود. اگر دقیق‌تر باشیم، شیب متوسط بین تغییر حرارت از صفر درجه (R₀) تا 100 درجه (R₁₀₀) سانتی‌گراد را باید در نظر بگیریم که این‌گونه می‌توان آن را بیان کرد:

هر فلز مخصوصی ( پلاتین، نیکل یا مس ) که انتخاب می‌کنیم، بیشترین اثر را بر نسبت مقاومتی خواهد‌ داشت. با این وجود، مقدار خلوص هر فلز، عاملی اثر‌گذار روی نسبت مقاومتی خواهد‌بود؛ مثلا، سنسورهای RTD به‌کار‌رفته در کاربرد‌های علمی از خالص‌ترین پلاتین موجود بهره می‌برند، اما در کاربرد‌های صنعتی که به دقت بالا نیاز نداریم، از پلاتین با خلوص پایین‌تر هم می‌توان استفاده کرد.

نوع سنسور RTD	مقاومت معمول در دمای صفر درجه	مقاومت معمول در دمای 100 درجه	نسبت مقاومت	آلفا
پلاتین	100 اهم	138.5 اهم	0.385	0.00385
نیکل	120 اهم	200.64 اهم	0.672	0.00672
مس	9.035 اهم	12.897 اهم	0.427	0.00427

نسبت مقاومتی پلوتونیوم بسیار گسترده است و به همین دلیل محدوده اندازه‌گیری بزرگتری نسبت به نیکل و مس دارد. ضریب «آلفا» (α) همان نسبت مقاومت تقسیم بر 100 می‌باشد.

مدل‌های سنسور RTD

پلاتین معروف‌ترین ماده استفاده شده در سنسور‌های RTD می‌باشد؛ پس شما با رجوع به مدل‌های RTD شامل سنسور‌های PT100 (و همچنین پروب pt100) روبرو خواهید شد. واژه «PT» نشان‌دهنده «پلاتین» و عدد «100» مقدار مقاومت در دمای صفر درجه (همان مقدار R₀) است. امروزه سنسور RTD پلاتینی PT100 معروف‌ترین و پرکاربردترین سنسور در بازار می‌باشد.

مدل PT1000 هم موجود است که در دمای 100 درجه سانتی‌گراد، 10 برابر مقاومت اسمی دارد؛ مقدار خروجی ولتاژی یا جریانی این سنسور بالاتر است. همچنین، در حالی که مدل‌های PT100 در انواع مختلف (سیم‌پیچی‌شده و لایه‌نازک) موجود هستند، مدل‌های PT1000 تنها به صورت لایه‌نازک عرضه می‌شوند.

از آنجایی که سنسور‌های PT100 به عنوان سنسور استاندارد شناخته می‌شوند با محدوده گسترده‌ای از ابزار و کاربردها سازگار هستند؛ اما سنسور‌های PT1000 در برخی موارد بهترند؛ مثلا، زمانی که سیم‌های لید بلند هستند؛ که این بلند بودن مقاومت آنها را بالاتر می‌برد. در‌نتیجه‌ی‌ مقاومت بالاتر، مقدار خودحرارتی و توان مصرفی هم کمتر می‌شود که این توان مصرفی کم، ایده‌آل کاربردهایی است که منبع تغذیه از طریق باتری تامین می‌شود.

ذکر این نکته خالی از لطف نیست که مدل PT500 هم وجود دارد که مقاومت 500 اهم همان مقدار مقاومت در صفر درجه می‌باشد؛ اما در مقایسه با PT100 و PT1000 بسیار کمیاب است. علاوه بر این، مدل PT2000 هم وجود دارد که مقاومت صفر درجه یا همان R₀ برابر با 2 کیلواهم است.

روش‌های سیم‌بندی سنسور‌های RTD

اگرچه یک سنسور RTD اصولا یک سنسور دوسیمه است، اضافه کردن یک یا حتی دو سیم (سیم‌بندی 3 یا 4تایی) در برابر خودحرارتی و مقاومت سیم‌های لید، جبران‌سازی بهتری فراهم می‌کند و بنابراین به شدت پیشنهاد می‌شود. بنابراین اگرچه امکان اتصال دوسیمه وجود دارد، تولید‌کننده‌های سیگنال Dewesoft با اتصال‌های 3 و 4 سیمه سازگارترند تا بتوانند به بهترین دقت ممکن دست یابند.

در نمونه اتصال سه‌سیمه، خروجی‌های سنسور‌های RTD به پین شماره 1 (In₊) و شماره 2 (In_–) تولید‌کننده سیگنال متصل هستند. ولتاژ تحریک مثبت (Exc₊) از پین 4 اعمال می‌شود و سیم اتصال، کل مسیر بین کابل سنسور و سنسور RTD را پوشش می‌دهد. ولتاژ تحریک منفی (Exc_–) به وسیله جامپر، بین پین‌های 2 و 3 سیستم جمع‌آوری دیتا متصل می‌شود. سیم تخلیه‌ی همراه شیلد سیم‌ها، تنها به تولید‌کننده سیگنال متصل است تا حلقه اتصال به زمین ایجاد نشود.

بنابراین کابل این سنسور باید حاوی سه سیم باشد که در داخل شیلد فویلی یا درهم‌تنیده قرار گرفته‌اند.

در نمونه اتصال سه‌سیمه، خروجی‌های سنسور‌های RTD به پین شماره 1 (₊In) و شماره 2 (_–In) تولید‌کننده سیگنال متصل هستند. ولتاژ تحریک مثبت (₊Exc) از پین 4 اعمال می‌شود و سیم اتصال، کل مسیر بین کابل سنسور و سنسور RTD را پوشش می‌دهد. ولتاژ تحریک منفی (_–Exc) به وسیله جامپر، بین پین‌های 2 و 3 سیستم جمع‌آوری دیتا متصل می‌شود. سیم تخلیه‌ی همراه شیلد سیم‌ها، تنها به تولید‌کننده سیگنال متصل است تا حلقه اتصال به زمین ایجاد نشود.

بنابراین کابل این سنسور باید حاوی سه سیم باشد که در داخل شیلد فویلی یا درهم‌تنیده قرار گرفته‌اند.

اتصال 4 سیمه همچون اتصال 3 سیمه می‌باشد جز اینکه سیم‌های هر دو ولتاژ مثبت و منفی تحریک، کل مسیر بین کابل سنسور و سنسور RTD را پوشش می‌دهند. این روش اتصال، بهترین عملکرد ممکن از لحاظ کنسل کردن خطاهای مربوط به خودحرارتی و مقاومت سیم لید را فراهم می‌کند.

بنابراین کابل سنسور باید حاوی 4 سیم به همراه یک شیلد فویلی یا درهم‌تنیده باشد.

تعیین دقت سنسور‌ها با استاندارد DIN

دقت قابل‌قبول رایج برای سنسور‌های RTD از طریق استاندارد منحنی DIN مشخص می‌شود. این استاندارد بر اساس نسبت حرارت به مقاومت سنسور پلاتینی 100 اهمی (PT100) ایجاد شده‌است. اعداد ویژه این استاندارد، مقاومت پایه 100 اهم در دمای صفر درجه سانتی‌گراد و مقدار آلفا (α) برابر با 0.00385 هستند.

دما ( درجه سانتی‌گراد)	مقاومت
0	100.00
10	103.90
20	107.79
30	111.67
40	115.54
50	119.40
60	123.24
70	127.07
80	130.89
90	134.70
100	138.50

سنسور‌های ویژه با استاندارد DIN سه کلاس با تلرانس مختلف دارند:

کلاس DIN	تلرانس
کلاس A	( دما* 0.002+ 0.15 )±
کلاس B	( دما* 0.005+ 0.3 )±
کلاس C	( دما* 0.005+ 1.2)±

کاربرد سنسور RTD

تقریبا هزاران کاربرد وجود دارند که سنسورهای RTD در آنها به کار رفته است که ما تنها به تعدادی از آنها اشاره می‌کنیم:

اتومبیل‌های خودران: حرارت بخش موتور، سنسور مقدار هوای وارد شده، حرارت قسمت خنک‌کننده، دمای هوای خارج، سیستم کنترل ماشین بر اساس آب و هوای بیرون، دمای روغن.

پروسه تولید غذا: نظارت حرارتی در طول آماده‌سازی و انبار مواد غذایی، نظارت بر احتمال فاسد شدن غذا در هنگام انتقال با کشتی

HVAC: نظارت دمای هوای اطراف، تشخیص آتش‌سوزی، کنترل خودکار آب و هوا

فضانوردی: حرارت موتور، حرارت خنک‌کننده، حرارت کمپرسور، نظارت مخزن سوخت، ابزار کنترل آتش‌سوزی

صنعتی: حرارت دستگاه، موتورهای الکتریکی، موتور‌های سیم‌پیچ‌دار، ژنراتورهای توان، جبران‌سازی ترموکوپل (جبران‌سازی قسمت سرد یا همان مرجع)، فرها، اندازه‌گیری توان ریزموج

پزشکی: محل پرورش اطفال زودرس، ابزار تنفس مصنوعی، دستگاه دیالیز

مخابرات: نظارت بر تقویت‌کننده، جبران‌سازی حرارت انتقال‌دهنده

کامپیوترها: محدود‌ساز جریان ورودی اولیه در هنگام روشن شدن

علمی و آزمایشگاهی: تحقیقات در تمامی زمینه های علمی

محصولات مصرفی: قهوه‌سازها، گوشی‌های همراه، ایستگاه آب و هوای خانگی، بسته‌های باتری، دستگاه تست نان‌، ترموستات‌ها، آب‌گرم‌کن‌ها، یخچال‌ها و فریزرها، ماشین‌های ظرفشویی، ماشین‌های لباس‌شویی و خشک‌کننده‌ها، سیستم‌های تهویه هوا، تشک‌های برقی

نوع سنسور RTD	کاربردهای اصلی
پلاتین	کاربردهای علمی و داروسازی (پلاتین با درجه خلوص آزمایشگاهی استفاده می‌شود) کاربردهای صنعتی (از استاندارد IEC 60751 استفاده می‌شود) کاربردهایی که نیاز به محدوده حرارتی وسیع دارند
نیکل	کاربردهایی مانند HVAC و محصولات مصرفی که فروششان به قیمتشان بستگی دارند (سشوارها، لباس‌خشک‌کن‌ها، ماشین‌های ظرفشویی و ...) (کاربردهای زیر 300 درجه سانتی‌گراد که رفتار نیکل به صورت تصاعدی غیرخطی‌تر می‌شود)
مس	اکثرا کاربردهای صنعتی به خصوص کاربردهای الکترومکانیکی همچون موتورهای الکتریکی، موتورهای سیم‌پیچ‌دار، ژنراتورهای توان و ... (زیرا مس تابع مشخصه یکسانی با ابزار اشاره شده دارد) کاربردهایی که نیاز به بهترین خطی بودن ذاتی در محدوده دمایی کوچکدارند