چرا اندازه گیری دما اهمیت دارد؟

دما اغلب عامل مهمی در ساخت و ساز است و یکی از متغیرهای مهم در پردازش صنعتی است. فاکتور دما یک فاکتور مهم وحیاتی در  احتراق، خشک کردن، خنک کردن، کالیبراسیون، عملیات حرارتی، کالیبراسیون، آزمایش مواد و اکستروژن در صنایع مختلف از جمله نفت و گاز، برق، پالایش، پتروشیمی، داروسازی، تولید مواد غذایی و غیره امی باشد. حتی یک خطای اندازه گیری کوچک می تواند در بعضی از فرایندها باعث خراب شدن فرایند و اغلب بسیار پر هزینه باشد. همچنين اين روند حفظ دماي مطلوب مي تواند منجر به افزايش سودآوري شود. حسگرهای مقاومتی (RTD) یا به صورت مختصر سنسورهای RTD در میان دقیق ترین سنسورهای دما در دسترس هستند. علاوه بر ارائه دقت بسیار دقیق، آنها دارای ثبات عالی، تکرارپذیری و ایمنی بالا به نویزهای الکتریکی می باشند. این به این معنی است که سنسورهای RTD برای برنامه های کاربردی در محیط پردازش و اتوماسیون صنعتی، مخصوصا در مورد موتورها، ژنراتورها و دیگر تجهیزات ولتاژ بالا بسیار مناسب می باشند.

 RTD چیست؟

(Resistance Temperature Detector) RTD (آشکارساز دمای مقاومتی) حساسیت دمایی مقاومت می­ باشد، که به صورت یک ضریب دمایی مثبت در تابع مقاومت نسبت به متغیر دما اعمال می­ شود. و در این تابع خروجی مقاومت با افزایش دما افزایش می­ یابد.

به این ترتیب مقاومت فلز با افزایش دما­ی آن افزایش خواهد یافت که این ویژگی مقاومتی فلز نسبت به شرایط دمایی مقاومت ویژه فلز نامیده می­ شود. و مقاومت ویژه فلز تعیین کننده طول و سطح مقطع مورد نیاز در ساخت یک RTD می ­باشد.

RTD ها از نوع سنسورهای خطی در اندازه گیری دما می باشند که سیگنال خروجی شان به صورت یک سیگنال مقاومتی است. مقاومت اندازه گیری شده را می توان با استفاده از جداول و روش های استاندارد به مقدار دمای متناظرش تبدیل نمود. رایج ترین نوع سنسورهای RTD، سنسورهایی از جنس پلاتین هستند که با نام PT100 در صنعت شناخته میشوند. این سنسورها میتوانند در انواع دو سیمه، سه سیمه و چهار سیمه تولید شوند که نوع سه سیمه از بقیه رایج تر است (تعادل بین دقت و قیمت). معمولا رنگ دو سیم در RTD یکسان است و سیم سوم رنگ دیگری دارد. متاسفانه هیچ استانداردی برای رنگ بندی سیمها در RTD وجود ندارد و هر تولید کننده استاندارد خودش را دارد.

معیار انتخاب مواد برای یک RTD :

• ماده باید قابل انعطاف باشد تا قابلیت فرم دادن به شکل یک سیم نازک را داشته باشد.
• دارای شیب یا منحنی تکرارپذیر و پایدار باشد.
• مواد به کار رفته باید مقاوم در برابر خوردگی باشد.
• مواد به کار رفته باید ارزان باشد.(داشتن صرفه اقتصادی)
• منحنی تابع مقاومت نسبت به دمای خطی داشته باشد.

بنابر این باید از فلزاتی استفاده شود که حساسیت بالاتری داشته باشند. عموماً آن را بافلزاتی چون پلاتین، نیکل، آلیاژ نیکل آهن و مس میسازند که هر کدام برای کاربردی استفاده می شوند.

همانطور که در نموار آمده است نیکل و آلیاژ نیکل آهن ، نسبت به پلاتین­ در بازه دمایی کمتری خطی اند و پلاتین در بازه بیشتری خطی است که بازه دمایی نیکل ۴۰ تا ۳۰۰ درجه سانتی گراد است و آلیاژ نیکل-آهن در مصارف محدود و خاصی استفاده می ­شود، به جهت خصوصیاتی چون خطی بودن، پایدار بودن و دقت نسبت به دیگر فلزات در صنعت از پلاتین استفاده می شود.

_{جنس RTD از چیست؟}

ویژگی های ترمو مقاومتی المان حسگر RTD، بسته به فلز یا آلیاژی که از 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).

فلز مورد استفاده باید نقطه ذوب بالایی داشته باشد و در مقابل خوردگی مقاوم باشد. پلاتین بهترین فلز برای استفاده در RTD می باشد چون رابطه بین مقاومت و دما کاملاً خطی میباشد. در مس نیز این رابطه نسبتاً خطی می باشد ولی دامنه اندازه گیری آن کمتر از پلاتین می باشد.

در صورت استفاده از نیکل، حساسیت RTD بیشتر خواهد بود ولی برای دماهای بیشتر از ۴۰۰ درجه رابطه به شدت غیرخطی است. از تنگستن می توان برای اندازه گیری دماهای خیلی بالا استفاده نمود، اما به دلیل مشکلات ساخت و ناپایداری ویژگیهای آن، کمتر مورد استفاده قرار می گیرد.

RTD های دوسیمه :

سیم  RTD دوسیمه ساده­ ترین نوع ساختار را بین این سنسورها دارا می­ باشد،یک سیم که به هر طرف عنصر مورد نظر متصل شده و اندازه­ گیری توسط هر دستگاه با قابلیت اهم­ سنجی می­تواند اندازه­ گیری شود ازجمله مبدل های اهم ولت سنجی (VOM)

این روش کمترین دقت انداز­ه­ گیری دما را دارد ، با توجه به این واقعیت مقاومت سیم رابط با مقاومت سنسور به صورت سری در مدار قرار دارد.

سیم رابط در مقایسه با سنسور در دماهای مختلفی قرار دارد از این رو جدول مشخصات مقاومت – دمایی متفاوتی دارد.

به این ترتیب سیم رابط طویل خطای اندازه ­گیری زیادی را به همراه دارد.

یک مدار پل دوسیمه معمولی مطابق شکل زیر می­باشد:

RTD های سه سیمه :

RTD سه سیمه پرکاربردترین نوع ساختار را به ویژه در کاربردهای صنعتی دارد، وقتی که فاصله زیادی بین سنسور و ابزار کنترل وجود دارد استفاده از کابل سه سیمه به جای چهار سیم می ­تواند صرفه اقتصادی خوبی داشته باشد. هنگام استفاده از این سنسور ، به درستی سنسور سه سیمه مقاومت سری را از مدار حذف می کند که این امر اجازه اندازه­ گیری دقیق سنسور را فراهم می کند.

دوتا  از این رابط های مسیر به یک طرف سنسور و رابط سوم به طرف دیگر سنسور متصل می­ باشد مقاومتهای L1 و L3 باید تا جایی که ممکن است با همدیگر یکنواخت باشند تا اثر خطای ناشی از مقاومت خودشان را درمدار پل خنثی کنند.( که سنسور سه سیمه شرایطی را ایجاد می­کند که میانگین مقاومت سیم  مسیر را از مقاومت خود سنسور حذف می­ کند.)

کد رنگ­ بندی در RTD های سه سیمه به ترتیب دو سیم رابط به رنگ قرمز و دیگری سفید می­ باشد ، یک پل RTD سه سیمه معمول مطابق شکل زیر می ­باشد:

طرز کار مدار سه سیمه با اندازه­ گیری مقاومت بین مسیر  L1,L2 و تفاضل آن با مجموع مقاومتهای مسیر L2,L3 و نتیجه آن باقی ماندن مقاومت Rb مقاومت خود سنسور می­باشد البته در این متد فرض بر برابری مقاومت های  RL1,RL3 می­باشد.

 RTD های چهار سیمه:

RTD چهار سیمه دقیق­ ترین روش اندازه­ گیری در خانواده سنسورها می­باشد ، این نوع از سنسور عمدتاً در آزمایشگاه که نیاز به عدم قطعیت کوچکی می­باشد به کار می­رود و به ندرت کاربرد صنعتی دارد.

یک مدار RTD چهارسیمه اثر ناسازگاری ناشی از مقاومت سیمهای رابط را کاملاً حذف می­کند در این مدار یک جریان ثابت از مسیر L4 ، L1 عبور کرده و مسیر L2,L3 ولتاژ دوسر سنسور RTD را اندازه­ گیری می کند ، در نتیجه این پل مقاومت واقعی هر نوع مقاومت مسیر متفاوتی را به عنوان تأثیر خطای مسیر در مقاومت سنسور را حذف می­کند.

کد رنگ­بندی برای RTD های چهار سیمه دو سیم رابط به رنگ قرمز و دو رابط سفید رنگ می­باشد.

نمودار زیر یک پل مدار سنسور چهارسیمه معمول را نشان می­دهد:

PT100  چیست؟ چرا این نام را برای آن انتخاب کرده اند؟

سنسور های آر تی دی RTD در مدل های سنسورPT1000 و PT500 و PT100 و PT50 و … موجود می باشد.سنسور های PT100 رایج ترین سنسور در نوع سنسورهای RTD می باشد.نحوه کارکرد سنسور های RTD به این شکل می باشد که با استفاده از مقاومتی که در داخل آن کارگذاشته شده در اثر بالاتر رفتن دما میزان مقاومت سنسور هم افزایش پیدا می کند و با پایین رفتن دما از میزان مقاومت کاسته می شود و نمایشگر های دما در این تیپ سنسور های دما به وسیله بالا و پایین رفتن مقاومت تشخیص دما را می دهند. نحوه تشخیص سنسور های RTD به این صورت است که اگر دمای محیط در نقطه صفر درجه سانتیگراد باشد با استفاده از اهم تر مقاومت دوسر سنسور را گرفته و اگر اهم سنسور ۱۰۰ اهم باشد یعنی سنسور PT100 می باشد pt هم مخفف پلاتینیوم می باشد. PT100 از معروفترین و پرکاربردترین سنسورهای دمایی داخل بازار و صنعت می باشد. و اگر ۵۰ اهم باشد یعنی سنسور PT50 می باشد و در دیگر رنج ها هم به این صورت می باشد.

بازه اندازه گیری RTD

بازه اندازه گیری دما در RTD ها از ۲۰۰- درجه الی ۶۰۰+ درجه می باشد که در کلاس ها و دقت های مختلفی تولید می شود.

مزایای سنسور PT100 :

• دقت بالا
• پایداری
• تکرار پذیری
• عمر طولانی

معایب

• قیمت بالا
• زمان پاسخگویی پایین
• رنج دمایی کوچک (برای دماهای خیلی پایین و خیلی بالا مناسب نیست.)

سنسور Thermocouple چیست؟

لغت Thermocouple از ترکیب دو واژه Thermo (دما) و Couple (جفت) ساخته شده است. این سنسور ها برای اندازه گیری دما از یک جفت آلیاژ فلزی رسانا ساخته میشوند. وقتی به محل اتصال این دو آلیاژ حرارت داده شود، اختلاف پتانسیلی در دو سر آلیاژها بوجود می آید. این اختلاف پتانسیل تابع میزان حرارت اعمال شده است و بنابراین با بررسی میزان ولتاژ خروجی می توان درجه حرارت اعمال شده به ترموکوپل را تشخیص داد. رایج ترین نوع سنسور های Thermocouple در صنعت عبارتند از ترموکوپل های نوع J و k.

ترموکوپل ها دو سیم در خروجی دارند. بر اساس استاندارد، رنگ سیمها، می تواند نشان دهنده نوع ترموکوپل باشد. کد های رنگ ترموکوپل(Thermocouple Color Codes) در نقاط مختلف جهان فرق میکند. این جدول سعی کرده است استاندارد رنگ بندی را نشان دهد.

مزایا :

• قیمت ارزان
• رنج دمایی گسترده
• زمان پاسخگویی سریع و دوام زیاد در کاربردهایی که با لرزش زیاد همراه هستند.

معایب :

• دقت ترموکوپل از RTD کمتر است.
• پایداری سیگنال در طول زمان به خطر می افتد.
• در دماهای بالا به صورت متناوب نیازمند تعویض است.
• بر اساس مکانی که نصب شده است، با توجه به تغییر دمای محیط در فصول مختلف سال، ممکن است شاهد تغییر سطح سیگنال میلی ولت تولید شده توسط ترموکوپل باشیم.

من به کدام یک نیاز دارم؟ RTD یا Thermocouple

تا اینجا سعی کردیم یک سری اطلاعات پایه در مورد چگونگی عملکرد این سنسورها در اختیارتان بگذاریم. اکنون برای اینکه انتخاب صحیحی را انجام دهیم باید به کاربرد و نیازهای خاص پروژه توجه کنیم.
فاکتور تصمیم گیری شماره یک: دمای فرآیند
فاکتور تصمیم گیری شماره دو: دقت اندازه گیری RTD و ترموکوپل

فاکتور تصمیم گیری شماره یک: دمای فرآیند

1. کمتر از ۲۲۲ درجه سانتیگراد:  هر دو سنسور RTD و thermocouple قابل استفاده هستند. به فاکتور تصمیم گیری شماره دو بروید.
2.  بین ۲۲۲ درجه و ۵۲۲ درجه سانتیگراد : شما احتمالا به یک thermocouple احتیاج خواهید داشت. برای تایید به فاکتور شماره دو نگاه کنید.
3.  بیشتر از ۵۲۲ درجه سانتیگراد: برای کاربردهایی که دمای فرآیند بالا دارند، به thermocouple نیاز دارید. RTD ها در این دما عملکرد درستی
   ندارند.

فاکتور تصمیم گیری شماره دو: دقت اندازه گیری

1. دقت مورد نیاز ± ۲.۱ %± یک دهم درصد± ۲.۲۱ %± یک صدم درصد: تنها یک RTD میتواند چنین سطح دقتی را به شما ارائه کند.
2. دقت مورد نیاز ± ۱% (± یک درصد) یا بزرگتر – اگر میزان دقت برای شما اهمیت بالایی ندارد و یا اینکه به یک سنسور سخت جان (rugged) احتیاج دارید تا در کاربردهای با لرزش بالا دوام بیاورد، ترموکوپل برای شما مناسب است.