برق, مکانیک, مهندسی 2623 بازدید

دماسنج مقاومتی (Resistance Temperature Detector) که به عنوان سنسور RTD هم شناخته می‌شود، از پرمصرف‌ترین تجهیزات اندازه‌گیری دما در صنعت به حساب می‌آید. اساس کار این تجهیز بدین صورت است که تحت تأثیر دما، مقاومت الکتریکی آن تغییر می‌کند. اولین دماسنج مقاومتی با استفاده از سیم مسی، یک عدد باتری و یک گالوانومتر در سال ۱۸۶۰ ساخته شد. مخترع آن، «کارل ویلهلم زیمنس» (Carl Wilhelm Siemens) بعدها متوجه شد که استفاده از پلاتینیوم، نتایج دقیق‌تری را به همراه دارد. از آن زمان تاکنون پلاتینیوم به عنوان رایج‌ترین فلز مورد استفاده در اندازه‌گیری دما با استفاده از سنسور RTD شناخته می‌شود. دماسنج مقاومتی سال‌هاست که در آزمایشگاه‌ها، کارخانه‌ها و صنایع مختلف به کار می‌رود. دقت این تجهیز بالاست و تکرارپذیری بالایی هم دارد.

محاسبه دما در دماسنج مقاومتی

یک نمونه دماسنج مقاومتی در شکل پایین نشان داده شده است. این سنسور از یک المنت حسگر تشکیل شده که عموماً نوعی فلز خالص است. این المنت درون پوشش محافظی قرار می‌گیرد. رابطه بین تغییرات دما و تغییرات مقاومت، در فلزاتی که به عنوان سنسور RTD به کار می‌روند، ثابت و پایدار است. در نتیجه، اندازه‌گیری دما با این روش، دقت بالایی را به همراه خواهد داشت. در بازه دمایی $$-200$$ تا $$+850$$ درجه سلسیوس، مقاومت بیشتر فلزات تقریباً به صورت خطی تغییر می‌کند. رابطه کلی برای مقاومت یک فلز برحسب دما را می‌توان به شکل سری توانی زیر بیان کرد.

دماسنج مقاومتی

$$\large R_T=R_0(1+\alpha\:T+\beta\:T^2+\gamma\:T^3+\:…)$$

در رابطه بالا، $$R_0$$ مقاومت را در دمای صفر درجه سلسیوس نشان می‌دهد و $$\alpha$$، $$\beta$$ و $$\gamma$$ ضرایب دمای مقاومت برای فلز مورد نظر هستند. مقدار مربوط به عبارت‌های غیرخطی در این رابطه معمولاً کوچک است و در بیشتر موارد می‌توان از آن صرف نظر کرد. شکل زیر نمودار تغییرات نسبت $$R_T/R_0$$ را برحسب دما برای سه فلز نیکل، مس و پلاتینیوم نشان می‌دهد. پلاتینیوم با وجود قیمت بالا، برای سنجش دما در بیشتر فرآیندهای صنعتی به کار می‌رود. در فرآیندهایی که اهمیت کمتری دارد از فلزات ارزان‌قیمت دیگر استفاده می‌شود. غیر از رفتار خطی، تکرارپذیری و واکنش‌ناپذیری از دلایل دیگر انتخاب پلاتینیوم به حساب می‌آید.

رفتار خطی پلاتینیوم

دماسنج مقاومتی یا ترموکوپل؟

یکی دیگر از تجهیزات اندازه‌گیری دما که کاربرد زیادی در صنعت دارد، ترموکوپل است. هریک از انواع تجهیزاتی که برای سنجش دما به کار می‌رود، ویژگی‌هایی دارد که آن را در برخی شرایط نسبت به سایر مدل‌ها منحصر به‌ فرد می‌سازد. از مزیت‌های ترموکوپل نسبت به RTD می‌توان به حساسیت کمتر نسبت به ارتعاشات، عدم نیاز به منبع تغذیه و کوتاه‌تر بودن زمان پاسخ‌گویی اشاره کرد. برخی از مزیت‌های دماسنج مقاومتی نسبت به ترموکوپل‌ها در ادامه ذکر شده است:

  • دامنه اندازه‌گیری وسیع در حدود $$-200$$ تا $$+850$$ درجه سلسیوس
  • دقت بالاتر
  • قابلیت تعویض قطعات داخلی
  • کارایی بلند مدت

با داشتن چنین ویژگی‌هایی، می‌توان از سنسور RTD تقریباً در بیشتر فرآیندهای صنعتی استفاده کرد. همچنین امکان استفاده از فلزاتی مانند پلاتینیوم، آن را برای به‌کارگیری در محیط‌های خورنده مناسب ساخته است.

استانداردهای دماسنج مقاومتی

دو استاندارد برای سنسور RTD ساخته شده از جنس پلاتینیوم تدوین شده است. یکی از آنها تحت عنوان استاندارد اروپایی شناخته می‌شود (IEC یا DIN) و دیگری، استاندارد آمریکایی است. استاندارد اروپایی، به عنوان استاندارد جهانی به حساب می‌آید. این استاندارد، $$DIN/IEC60751$$، سنسور RTD را ملزم می‌کند تا در دمای صفر درجه سلسیوس، مقاومتی برابر با $$100$$ اهم داشته باشد. مطابق این استاندارد، ضریب دما برحسب مقاومت در بازه $$0$$ تا $$100$$ درجه سلسیوس برابر با $$0.00385\:\Omega/\Omega/^\circ C$$ است. نمودار تغییرات مقاومت برحسب دما در شکل زیر نشان داده شده است. ضریب دمای مقاومت را با $$\large \alpha$$ مشخص کرده‌ایم. همان‌طور که در شکل مشاهده می‌کنید، تغییرات مقاومت به صورت خطی در نظر گرفته شده است.

تغییرات دما RTD

در این استاندارد که با نام $$IEC751$$ نیز شناخته می‌شود، بر اساس تلورانس مقاومت، چهار کلاس مختلف برای دماسنج مقاومتی در نظر گرفته شده است. این کلاس‌ها به صورت زیر در دمای صفر درجه سلسیوس، تعریف می‌شوند.

  • کلاس $$C$$: $$100.00\:\pm0.24\:\Omega$$
  • کلاس $$B$$: $$100.00\:\pm0.12\:\Omega$$
  • کلاس $$A$$: $$100.00\:\pm0.06\:\Omega$$
  • کلاس $$AA$$: $$100.00\:\pm0.04\:\Omega$$

استاندارد آمریکایی عموماً در کشورهای آمریکای شمالی مورد استفاده قرار می‌گیرد و به صورت مقاومت $$100.00\:\pm0.010\:\Omega$$ در دمای صفر درجه سلسیوس تعریف می‌شود. ضریب TCR (ضریب دما برحسب مقاومت) برای بازه دمای صفر تا ۱۰۰ درجه سلسیوس به صورت $$0.00392\:\Omega/\Omega/^\circ C$$ تعریف می‌شود.

برخی از انواع سنسورهای RTD طوری ساخته می‌شوند تا در دمای صفر درجه سلسیوس، مقاومت‌هایی مانند $$200$$ ،$$500$$ ،$$1000$$ یا حتی $$2000$$ اهم داشته باشند. ضریب تغییرات دما در این سنسورها نیز مانند آنچه پیشتر تشریح شد، طراحی می‌شود. ولی این نکته را در نظر داشته باشید که در این حالت، تغییرات دما منجر به تغییرات بزرگتری در مقاومت می‌شود. در نتیجه رزولوشن اندازه‌گیری بیشتر شده و به دنبال آن، دقت نیز افزایش می‌یابد. پرکاربردترین سنسورها $$Pt100$$ و $$Pt1000$$ هستند. اعداد $$100$$ و $$1000$$ مقاومت این سنسورها را برحسب اهم در دمای صفر درجه سلسیوس نشان می‌دهند. عبارت $$Pt$$ اشاره به این موضوع دارد که جنس این سنسورها از پلاتینیوم است.

انواع دماسنج‌های مقاومتی

سنسورهای مقاومتی دما را که امروزه مورد استفاده قرار می‌گیرند، می‌توان به دو دسته کلی تقسیم کرد. این تقسیم‌بندی براساس نوع ساخت المنت سنسور انجام شده است. یکی از آنها دارای المنت فیلم نازک و دیگری از نوع سیم‌پیچ است. هریک از این دو مدل در کاربرد مخصوص خودشان بهترین انتخاب هستند.

دماسنج مقاومتی از نوع فیلم نازک

دماسنج مقاومتی از نوع فیلم نازک، با قرار دادن یک لایه بسیار نازک فلزی (معمولاً پلاتینیوم) روی لایه زیرین (از جنس سرامیک) تشکیل می‌شود. لایه فلزی قادر است مقاومت مورد انتظار را تأمین کند. این نوع دماسنج مقاومتی به دلیل استحکام و قابلیت اطمینان بالا و همچنین پایین بودن قیمت، طرفداران زیادی دارد. المنت فیلم نازک، هنگام بروز ارتعاشات یا ضربه، مقاومت زیادی در برابر شکست دارد و می‌توان از آن در شکل‌ها، اندازه‌ها و مقاومت‌های مختلفی استفاده کرد. در شکل زیر، نمونه‌ای از این سنسور مشاهده می‌شود.

فیلم نازک RTD

دماسنج مقاومتی از نوع سیم‌پیچ

دماسنج مقاومتی از نوع سیم‌پیچ، از سیم‌پیچی کوچک و بسیار نازک (معمولاً پلاتینیوم) تشکیل شده است. این سیم‌پیچ را می‌توان درون لوله‌های سرامیکی یا شیشه‌ای قرار داد یا سیم را به دور سرامیک یا شیشه پیچید. این نوع دماسنج مقاومتی، بیشترین دقت را دارد. نوع سرامیکی آن برای اندازه‌گیری دماهای فوق‌العاده بالا مناسب است و نوع شیشه‌ای را می‌توان در بسیاری از مایعات به کار برد. در مقابل، سنسورهای نوع سیم‌پیچ هزینه‌ زیادی هم دارند و ساخت آنها نیازمند تکنیک‌های بسیار پیشرفته است. شماتیک دماسنج مقاومتی از نوع سیم‌پیچ در شکل زیر نشان داده شده است.

دماسنج مقاومت الکتریکی

انواع سیم‌بندی در دماسنج مقاومتی

در دماسنج مقاومتی، مقاومت الکتریکی به عنوان تابعی از دما تغییر می‌کند. براساس قانون اهم، هنگامی که جریان الکتریکی ثابت باشد، مقاومت و ولتاژ الکتریکی با یکدیگر متناسب هستند ($$R=V/I$$). با استفاده از این جریان ثابت و اندازه‌گیری افت ولتاژ، مقاومت قابل اندازه‌گیری است. راه‌های اتصال سنسور $$Pt100$$ به ترانسمیتر به صورت زیر است.

اتصال دو سیمه

شکل زیر، اتصال دو سیمه را در مدار سنسور $$Pt100$$ نشان می‌دهد. در این حالت، دو سر سنسور به طور مستقیم به ترانسمیتر متصل شده‌اند. هر یک از کابل‌ها دارای مقاومت است. مقاومت سیم‌های $$L_2$$ و $$L_3$$ به ترتیب با $$R_2$$ و $$R_3$$ نشان داده شده‌اند. در نتیجه، مقاومت نهایی اندازه‌گیری شده دارای خطا خواهد بود. این خطا را می‌توان با کالیبراسیون از بین برد. ولی مشکل اینجاست که در هر دمای جدیدی، باز هم باید فرآیند کالیبراسیون را تکرار کرد.

RTD دو سیمه

اتصال سه سیمه

این نوع اتصال، بیشترین کاربرد را در صنعت دارد. شکل زیر اتصال سه سیمه را مدار سنسور $$Pt100$$ نشان می‌دهد. در این حالت، با اضافه کردن سیم $$L_1$$ به حالت قبلی (اتصال دو سیمه) و به شرطی که مقاومت‌های $$R_1$$ ،$$R_2$$ و $$R_3$$ با هم برابر باشند، اندازه‌گیری درستی از مقاومت سنسور $$Pt100$$ انجام خواهد شد.

RTD سه سیمه

اتصال چهار سیمه

عموماً در آزمایشگاه‌ها از این نوع اتصال استفاده می‌شود. در این حالت، منبع جریان به طور ثابت جریان $$0.1$$ تا $$1$$ میلی‌آمپر را برقرار می‌کند. ولت‌متر دیجیتال در شکل با DVM نشان داده شده است. این ولت‌متر دارای امپدانسی حداقل برابر با $$10$$ مگا اهم است. در نتیجه، کوچکترین جریان هم از DVM عبور می‌کند. در این حالت افت ولتاژ در مقاومت‌های $$R_2$$ و $$R_3$$، عملاً صفر خواهد بود. این مدار پیچیده‌ترین و پرهزینه‌ترین مدار نسبت به حالت‌های قبل به حساب می‌آید و بالاترین دقت را نیز دارد.

RTD چهار سیمه

در صورت علاقه‌مندی به مباحث مرتبط در زمینه ابزاردقیق و اتوماسیون صنعتی، آموزش‌های زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

^^

بر اساس رای 5 نفر

آیا این مطلب برای شما مفید بود؟

نظر شما چیست؟

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *