سنسور دمای مقاومتی RTD

سنسور دمای مقاومتی یا همان RTD برای سنجش دما در کاربری های مختلف استفاده می شود. معروف ترین آن ها سنسور Pt100 می باشد.

سنسور دمای مقاومتی RTD

مقدمه
سنسور دمای مقاومتی انواع مختلفی دارد و در کلاس های مختلفی تولید و روانه بازار می شوند. سنسور دمای Pt100 یکی از رایج ترین انواع سنسور دمای مقاومتی در فرایند های صنعتی است. در این مقاله نکات خاص و مفیدی در مورد سنسورهای Pt100 ارائه شده است. در این مجموعه از مقالات "موتور درایو" اطلاعاتی در مورد سنسورهای RTD و PRT، ساختارهای مکانیکی مختلف Pt100، رابطه ی مقاومت-دما، ضرایب دمایی، کلاس های دقت و موارد دیگرارائه شده است.

در اصطلاح فنی هر دو واژه "سنسور" و "پروب" مورد استفاده هستند که ما در این مقاله از واژه "سنسور" استفاده می کنیم. همچنین هم می توانیم از "Pt100" استفاده کنیم و هم "Pt-100" که در این مقاله از فرمت Pt100 استفاده خواهیم کرد. (می دانیم که طبق استاندارد IEC / DIN 60751 شکل صحیح آن به صورت Pt-100 می باشد ولی ما برای راحتی کار در این مقاله از فرمت Pt100 استفاده خواهیم کرد).

برای دریافت مشاوره حرفه ای به صفحه مشاوره حرفه ای مرجعه کنید

مشاوره حرفه ای الکتروموتور

سنسور RTD

از آنجایی که Pt100 یک سنسور RTD می باشد، در ابتدا ببینیم که خود RTD چیست؟
RTD مخفف “Resistance Temperature Detector” به معنای دتکتور دمای مقاومتی (سنسور دمای مقاومتی) می باشد. RTD یک سنسور دمایی است که در آن مقدار مقاومت به دما بستگی دارد، به این صورت که با تغییر دما مقاومت سنسور هم تغییر می کند. بنابراین با اندازه گیری مقاومت سنسور می توانیم دما را نیز اندازه گیری کنیم. سنسورهای RTD معمولاً از پلاتین ، مس ، آلیاژهای نیکل یا اکسیدهای مختلف فلز ساخته می شوند.

سنسور PRT

رایج ترین ماده برای ساخت RTD ها، پلاتین است. پلاتین دارای یک رابطه مقاومت دمایی قابل اعتماد ، قابل تکرار و خطی است. RTD هایی که از جنس پلاتین هستند را PRT می نامند که مخفف “Platinum Resistance Thermometer” به معنای دماسنج مقاومتی پلاتینی است. رایج ترین سنسور پلاتینی PRT که در صنعت استفاده می شود سنسور Pt100 می باشد. عدد "100" نشان دهنده ی این موضوع است که این سنسور در دمای صفر درجه سانتیگراد (32 درجه فارنهایت) دارای مقاومت 100 اهم می باشد.

مقایسه PRT و ترموکوپل:

در بسیاری از کاربری های صنعتی از ترموکوپل ها به عنوان سنسور دما هم استفاده می کنند. بنابراین سوالی که مطرح می شود این است که تفاوت ترموکوپل  و سنسور PRT چیست؟ برای روشن شدن موضوع یک مقایسه کوتاه بین این دو انجام می دهیم.

ترموکوپل:

  • برای اندازه گیری دماهای  خیلی زیاد می تواند استفاده شود
  • ساختار قدرتمندی دارد
  • ارزان قیمت است
  • خود تحریک است، نیاز به تحریک خارجی ندارد
  • خیلی دقیق نیست
  • نیاز به جبران سازی ولتاژ در اتصال نقطه سرد داریم
  • سیم های الحاقی باید از مواد قابل استفاده برای نوع ترموکوپل باشند و باید به همگنی دما در تمام اتصالات مدار اندازه گیری توجه شود
  • ناهمگنی در سیم ها ممکن است باعث خطاهای غیرمنتظره شود

PRT ها:

  • دقیق تر، خطی تر و پایدار تر از ترموکوپل هستند.
  • مثل ترموکوپل ها به جبران سازی ولتاژ در اتصال نقطه سرد نیاز نداریم
  • سیم های الحاقی می تواند از نوع مسی باشد
  • گران تر از ترموکوپل ها هستند
  • به یک جریان تحریک شناخته شده و مناسب برای نوع سنسور نیاز دارید
  • شکننده تر و ضعیف تر هستند

به طور خلاصه می توانیم بگوییم که ترموکوپل ها برای کاربری هایی با دمای بالا مناسب تر هستند و PRT ها برای کاربری هایی که به دقت بیشتری نیاز داند.

اندازه گیری سنسور RTD/PRT

از آنجایی که مقاومت سنسور RTD با تغییرات دما تغییر می کند، واضح است که برای بدست آوردن دما کافیست که مقاومت آن را اندازه بگیرید. می توانید مقاومت آن را به اهم اندازه گیری کنید و سپس طبق جدول تبدیل یا فرمول محاسبه مخصوص به RTD مورد استفاده آن را به دما تبدیل کنید.

امروزه معمولا از دستگاه اندازه گیری دما یا کالیبره کننده که به صورت خودکار مقاومت اندازه گیری شده را به دما تبدیل می کنند استفاده می شود. توجه داشته باشید که نوع RTD با نوع دستگاه همخوانی داشته باشد چرا که اگر دستگاه اندازه گیری شما از نوع RTD مورد استفاده پشتیبانی نکند نتایج نشان داده شده در نمایشگر نادرست خواهند بود.

کالیبراتور RTD

راه های مختلفی برای اندازه گیری مقاومت وجود دارد و شما می توانید از روش دو سیمه، سه سیمه، یا چهار سیمه استفاده کنید. روش دوسیمه فقط برای اندازه گیری هایی با دقت پایین (مثل کار های عیب یابی) مناسب است. چرا که هر سیم و اتصال که خود دارای مقاومت هستند باعث بروز خطا در نتیجه می شوند. برای فرایند های دیگر باید از روش سه یا چهار سیمه استفاده کنیم.

مقاله تفاوت بین سنسور RTD دو سیمه، سه سیمه و چهار سیمه را ببینید.

برای مثال استاندارد IEC 60751 مشخص می کند که برای اندازه گیری هایی با کلاس دقت بالاتر از B باید از مدل سه سیمه یا چهار سیمه استفاده کرد. در ادامه این مقاله در مورد کلاس های دقت بیشتر صحبت خواهیم کرد.

مطمئنا برای ترمیستور های امپدانس بالا، سنسورهای Pt1000، یا سنسورهای امپدانس بالای دیگر خطای ناشی از سیم ها در مدل دو سیمه آنچنان زیاد و تاثیر گذار نیستند و می توان از آنها چشم پوشی کرد.

 برای کسب اطلاعات بیشتر درباره مدل های دو سیمه، سه سیمه و چهار سیمه می توانید به مقاله تفاوت بین سنسور RTD دو سیمه، سه سیمه و چهار سیمه مراجعه کنید.

جریان اندازه گیری:

وقتی که یک دستگاه اندازه گیری می خواهد مقاومت را اندازه بگیرد یک جریان کوچک و دقیق را از مقاومت عبور می دهد و سپس ولتاژ دو سر آن را اندازه می گیرد. سپس با توجه به قانون اهم اندازه مقاومت از تقسیم اندازه ولتاژ بر جریان به دست می آید. (R=V/I)

پدیده خود گرمایش:

هنگامی که جریان اندازه گیری از سنسور RTD عبور می کند باعث می شود که سنسور RTD به آرامی گرم شود که به این پدیده خود گرمایش می گویند. هرچه میزان جریان بیشتر و زمان اعمال آن طولانی تر باشد سنسور بیشتر گرم می شود. همچنین، ساختار سنسور و مقاومت دمایی آن در برابر محیط اطراف تاثیر زیادی بر پدیده خود گرمایشی آن دارد. بنابر این کاملا واضح است که پدیده خود گرمایشی در یک سنسور دما باعث ایجاد یک خطای کوچک می شود.

معمولا برای اندازه گیری یک سنسور Pt100 بیشینه جریان اندازه گیری برابر با یک میلی آمپر (1mA) است و حد پایین آن می تواند در حد 100 میکرو آمپر و حتی پایین تر باشد. بر اساس استاندارد هایی مانند IEC 60751 پدیده خود گرمایش نباید از 25 درصد تلورانس سنسور بیشتر شود.  

ساختارهای مکانیکی متفاوت سنسور های PRT

سنسورهای PRT تجهیزات بسیار ظریفی هستند و دقت این وسیله به ساختار مکانیکی آن بستگی دارد. برای داشتن یک دماسنج دقیق سیم پلاتینی داخل عنصر باید بتواند به راحتی با تغییرات دما منبسط و منقبض شوند تا از کش آمدن و تغییر شکل آن جلوگیری شود. نکته قابل توجه این است که این گونه سنسور ها در مقابل شوک و تکان های مکانیکی بسیار حساس هستند.

دماسنج مقاومتی پلاتینی استاندارد (Standard Platinum Resistance Thermometer-SPRT):

دماسنج های مقاومت پلاتینی استاندارد از این به بعد با نام SPRT آورده می شود. SPRT که دماسنج دقیق تری است دستگاهی برای اندازه گیری مقیاس دمایی ITS-90 بین دو نقطه ثابت هستند. SPRT ها از پلاتین بسیار خالص ساخته می شوند و ساپورت سیم ها به گونه ای طراحی شده که تا حد امکان از کش آمدن سیم ها جلوگیری شود. سنسورهای SPRT به کوچکترین ضربه و تکانی حساس هستند که این امر کاربرد آنها را به آزمایشگاه هایی که به دقت بسیار بالایی نیاز دارند محدود می کند.

 

دماسنج مقاومتی پلاتینی صنعتی

با افزایش پشتیبانی سیم ها ، مقاومت مکانیکی هم افزایش پیدا می کند ولی مسائل مربوط به تلفات هم افزایش پیدا می کند. این سنسورها را با نام دماسنج مقاومتی پلاتینی صنعتی IPRT می شناسند.IPRT هایی که به طور کامل پشتیبانی می شوند پشتیبان سیم بیشتری دارند و از لحاظ مکانیکی هم مقاومت زیادی دارند.

سیم ها به صورت کامل در شیشه یا سرامیک کپسول می شوند که باعث می شود در مقابل شوک و ضربات مکانیکی بسیار مقاوم باشند. ضعفی که ایجاد می شود این است که چون عنصر پلاتین داخل ماده ای قرار می گیرد که خصوصیات دمایی آن با خود پلاتین متفاوت است پایداری طولانی مدت بسیار ضعیف تر می شود و تلفات هیسترزیس بالا می رود.

PRT فیلم (Film PRT)

فیلم PRT ها در سال های اخیر پیشرفت زیادی کرده اند و اکنون نمونه های خوبی از آن در بازار موجود می باشد. این PRT ها را در شکل های زیادی برای کاربری های مختلف می سازند. فویل پلاتین روی سطح مورد نظر قرار می گیرد و برای اینکه مقدار مقاومت پیش بینی شده به دست بیاید آن را با لیزر اصلاح می کنند و در نهایت کپسوله شده و آماده ی استفاده می شود. برخلاف عنصر های سیمی، عنصر نازک فیلم برای اتوماسیون و فراین تولید مناسب تر هستند و اغلب قیمتشان هم ارزان تر است.

در مورد مزایا و معایب آنها این نکته را بگوییم که تقریبا با مدل عنصر سیمی که کاملا پشتیبانی شده عملکرد یکسانی دارند بجز اینکه عکس العمل عنصرهای فیلم در برابر تغییرات دما بسیار سریع تر می باشد.

انواع دیگر سنسور های RTD

انواع دیگر سنسورهای پلاتینی

اگرچه pt100 متداول ترین نوع RTD/PRT پلاتینی است انواع دیگری از آن مانند Pt25، Pt50، Pt200، Pt500 و Pt1000 نیز موجود می باشد. تفاوت اصلی آن ها در میزان مقاومت آنها در دمای صفر درجه سانتی گراد می باشد که در نام سنسور ها آورده شده.

برای مثال یک سنسور Pt1000 در دمای صفر درجه ی سانتی گراد دارای مقاومت 1000 اهم می باشد. همچنین دانستن ضریب دمایی از اهمیت زیادی برخوردار است زیرا بر مقاومت در سایر دماها تأثیر می گذارد. برای مثال اگر Pt1000 (385) باشد ، به این معنی است که ضریب دمایی آن 0.00385 درجه سانتی گراد است.

انواع دیگر سنسور های RTD

با علم به اینکه سنسور های پلاتینی رایج ترین نوع RTD هستند خوب است بدانیم که سنسور هایی وجود دارند که از مواد دیگری نظیر نیکل، نیکل-آهن و مس ساخته می شوند. مقاومت های رایج نیکل شامل Ni100 و Ni120، نیکل-آهن Ni-Fe 604-ohm و سنسور مس Cu10 هستند. هر کدام از این مواد مزایایی برای کاربری های خاص خودشان دارند. از معایب این سنسور ها دامنه دمایی محدود و حساسیت بیشتر در برابر خوردگی نسبت به فلز پلاتین می باشد.سنسورهای RTD را می توان از مواد دیگری نظیر طلا، نقره، تنگستن، رادیوم-آهن یا ژرمانیوم نیز ساخت. این نوع سنسور ها کاربرد های خاص خودشان را دارند و به ندرت در صنعت استفاده می شوند.

از آنجایی که مقاومت سنسور به دما بستگی دارد می توانیم تمام سنسور های PTC (positive temperature coefficient) (ضریب دمایی مثبت) و NTC (negative temperature coefficient) (ضریب دمایی منفی) را در این گروه قرار دهیم.

این سنسورها ترمیستور هایی برای اندازه گیری دما هستند. نوع NTC برای اندازه گیری دما رایج هستند.

 

درباره سنسور های Pt100

ضریب دمایی سنسور Pt100

رایج ترین نوع RTD ها در فرایند های صنعتی سنسور Pt100 می باشد که دارای مقاومت 100 اهم در دمای صفر درجه سانتی گراد (32 درجه فارنهایت) می باشد. مقدار مقاومت در دماهای بالاتر به نسخه سنسور Pt100 بستگی دارد که اندکی با هم متفاوتند. در بین تمامی مدل ها، نسخه 385 از همه رایج تر است. و اگر روی محصول ضریب ذکر نشده باشد معمولا همان 385 است. ضریب دمایی ( که با حرف یونانی آلفا αنمایش داده می شود)سنسور Pt100 از رابطه ی زیر بدست می آید.

 

ضریب آلفا

α = ضریب دمایی

R100 = مقاومت در دمای 100 درجه سانتی گراد

R0 = مقاومت در دمای صفر درجه سانتی گراد

 

برای روشن شدن مطلب نگاهی به یک مثال بیندازیم:

یک سنسور Pt100 دارای مقاومت 100.00 اهم در دمای صفر درجه سانتی گراد و مقاومت 138.51 اهم در دمای 100 درجه سانتی گراد می باشد. ضریب دمایی آن به شکل زیر محاسبه می شود.

 

 ضریب آلفا

حاصل این معادله برابر است با: 0.003851 /°C

که بصورت مقابل هم نوشته می شود:  3.851x 10^-3 °C^-1

معمولا این عدد را گرد شده و نمادین به صورت 385 نمایش می دهند.

این عدد در استاندارد IEC 60751:2008 نیز به عنوان ضریب دمایی مشخص شده

 

ضریب دمایی عنصر سنسور به میزان خلوص پلاتین مورد استفاده برای ساخت سیم بستگی دارد. هرچه میزان خلوص پلاتین بیشتر باشد اندازه α نیز بزرگتر می شود. امروزه تهیه ی پلاتین بسیار خالص کار سختی نیست. برای ساخت سنسور هایی مطابق منحنی دما-مقاومت استاندار IEC 60751 باشد باید پلاتین خاص را با ناخالصی های مناسبی ترکیب کرد تا عدد α تا 3.851x 10^-3 °C^-1 پایین بیاید.

مقدار آلفا از زمانی که نقطه ذوب و جوش آب (به ترتیب صفر و 100 درجه سانتی گراد) به عنوان مرجع نقاط دمایی استفاده می شده آمده است و همچنان برای تعریف درجه سیم پلاتینی مورد استفاده قرار می گیرد. با اینکه نقطه جوش آب معیار بهتری برای نقطه دمایی مرجع می باشد، یک راه دیگر برای تعریف خلوص سیم نسبت مقاومت در نقطه گالیوم (29.7646 درجه سانتی گراد) است که یک نقطه ثابت تعریف شده در مقیاس دمایی ITS-90 می باشد. این نسبت مقاومت با یک حرف کوچک یونانی با نماد ρ (می خوانیم: رو) نمایش داده می شود.

ضریب رو

مقدار ρ برای یک سنسور "385" برابر با 1.115817 و برای یک SPRT برابر با 1.11814 می باشد. در عمل اغلب از ضریب آلفا استفاده می کنند به دلیل اینکه قدیمی تر بوده و استفاده از آن راحت تر است با این حال از رو نیز استفاده می شود.

رابطه مقاومت دمایی (Pt100 (385

در شکل زیر رابطه بین مقاومت و دمای سنسور (Pt100(385 را مشاهده می کنید.

رابطه مقاومت دما pt100

با نگاهی به این نمودار متوجه می شویم که رابطه مقاومت-دمایی سنسور Pt100 کاملا خطی نیست و کمی انحنا دارد.

جدول زیر دمای سنسور (Pt100(385 را در مقابل مقادیر متفاوت مقاومت آن در چند نقطه نمایش می دهد.

 

انواع دیگر سنسورهای Pt100 با ضریب دمایی مختلف

اغلب سنسور ها استاندارد سازی شده اند ولی در سطح جهان استاندارد های مختلفی داریم که در مورد سنسور های Pt100 نیز صدق می کند. در طول زمان چند استاندارد مشخص شده اند. در اغلب موارد فقط یک تفاوت خیلی کوچک در ضرایب دمایی دیده می شود.

اطمینان حاصل کنید که دستگاه اندازه گیری شما از سنسور Pt100 مورد نظر شما پشتیبانی کند.

برای اطلاع از قیمت ها به صفحه قیمت ترموسوئیچ ، سوئیچ اورلود و ترمیستور PTC مراجعه کنید.

تامین تجهیزات حفاظت الکتروموتور

نکته مهم درمورد سنسور Pt100 استاندارد این است که هر سنسور ویژگی هایی دارد که فقط می تواند به دستگاه اندازه گیری خاصی متصل شود . این سنسور ها را می توانید هنگام فرایند و بدون کالیبراسیون تعویض کنید. با این حال بهتر است قبل از استفاده از سنسورها آنها را در چند دمای مشخص آزمایش کنید.

به هر حال، از آنجایی که استاندارد های مختلف کمی در ویژگی های سنسور Pt00 با هم متفاوتند مهم است که دستگاهی که برای اندازه گیری استفاده می کنید با سنسور مورد نظر همخوانی داشته باشد. برای مثال اگر دستگاه شما فقط از آلفا 385 پشتیبانی می کند و شما از سنسور آلفا 391 استفاده می کنید در اندازه گیری دچار خطا خواهید شد.

سوالی که مطرح می شود این است که آیا این خطا مهم و تاثیر گذار است؟ در این مورد (که بجای 385 از 391 استفاده می کنیم) میزان خطا چیزی حدود 1.5 درجه سانتی گراد در دمای 100 درجه سانتی گراد است. و به نظر ما این میزان خطا قابل توجه است. البته هرچه اختلاف بین ضریب دمایی (آلفا) سنسور ها کمتر باشد مقدار خطا هم پایین تر می آید.

پس بهتر است از همخوانی دستگاه اندازه گیری و سنسور Pt100 مورد نظر اطمینان حاصل کنید. اغلب اوقات وقتی در مشخصات سنسور به ضریب دمایی آن اشاره ای نشده باشد مقدار آلفا (ضریب دمایی) برابر با 385 است.

برگرفته از: www.beamex.com

----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

پیشنهاد موتور درایو برای کسب اطلاعات مناسب درباره تجهیزات حفاظت الکتروموتور مطالعه مقالات زیر می باشد:

1. سنسور دمای مقاومتی RTD

2. تفاوت بین سنسور RTD دو سیمه، سه سیمه و چهار سیمه

3. کلاس دقت سنسور Pt100

4. ترموسوئیچ thermal switch چیست؟

5. فیوز حرارتی thermal fuse چیست؟

6. حفاظت تعبیه شده در الکتروموتورها

7. نکات کاربردی برای نصب و استفاده از حفاظت ترمیستوری موتور

نظرات کاربران

نظر خود را ثبت نمایید

CAPTCHA code