سنسور دما RTD چیست؟

سنسور دما RTD یکی از محبوب‌ترین و رایج‌ترین حسگرهای دما است که اندازه‌گیری دقیق و مطمئن آن بر ارتقا کیفیت و ایمنی خدمات تأثیر فوق‌العاده‌ای می‌گذارد. امروزه در صنایع مختلف مانند صنعت فولاد، نساجی، نفت و گاز و… اندازه‌گیری پارامتر دما بسیار مهم است و دستگاه‌های سنجش دما به‌راحتی می‌توانند تغییرات دما را ارائه دهند. RTD برگرفته عبارت Resistance Temperature Detector، دارای سیگنال خروجی به‌صورت مقاومتی است. در واقع این ابزار به دلیل حساسیت به دما، تغییرات حاصل شده را خیلی سریع به نمایش می‌گذارد و مقاومت آن رابطه مستقیمی با دما دارد. در ادامه با این مقاله از فروشگاه سنجش حرارت همراه باشبد تا با نحوه کار و انواع سنسور آر تی دی آشنا شوید.

روش کار سنسور RTD

این سنسور دارای سیگنال مقاومتی است که این مقاومت باحرارت و افزایش دما تغییر می‌کند. به‌محض بالارفتن دمای فلز، مقاومت دستگاه در مقابل جریان الکتریسیته افزایش می‌یابد. برای استفاده از این سنسور دما باید جریان تحریک به آن اعمال شود تا ولتاژ پایانه‌ها قابل‌اندازه‌گیری باشد. در این قسمت به نحوه تبدیل مقدار اندازه‌گیری شده به دما اشاره می‌کنیم:

۱. ابتدا جریان الکتریکی به RTD ارسال می‌شود و از حسگر عبور می‌کند. معمولاً این جریان از سوی سیستم کنترلی یا ترنسمیترها است.

۲. عنصر مقاومتی یا همان دمای حسگر افزایش می‌یابد که با اندازه‌گیری مقاومت الکتریکی مقدار دمای متناظر قابل‌دسترسی است.

۳. با تغییر مقاومت در برابر جریان، سنسور آگاه می‌شود. تغییرات به‌دست‌آمده به سیستم کنترل یا ترنسمیتر فرستاده می‌شود.

به دلیل زمان پاسخ کمی طولانی، RTD برای پاسخ‌گویی سریع انتخاب نمی‌شوند. معمولاً زمان پاسخ‌دهی آنها بین ۰.۵ الی ۵ ثانیه است. همچنین عبور جریان در مدار باعث ایجاد خطای Self-heating می‌شود. این خطا به همراه خود ازدست‌دادن توان و خودگرمایی را به دنبال دارد.

انواع سنسور RTD از نظر جنس حسگر

سنسورهای RTD از نظر سیم‌های مقاومتی یا همان حسگرها به چند دسته تقسیم می‌شوند. این بخش از سنسور از جنس‌های پلاتین، نیکل و مس در بازار موجود است. معمولاً مدل پلاتین محبوبیت بیشتری دارد. چراکه پایداری بالایی دارد و دامنه گسترده دمایی را نشان می‌دهد. همچنین رابطه خطی بین دما و مقاومت سنسور پابرجاست و مواد شیمیایی روی پلاتین هیچ تأثیر نمی‌گذارد.

انواع سنسور RTD از نظر سیم‌بندی

برای اتصال سنسور به ابزار اندازه‌گیری از سیم‌های رابط یا سیم‌های سربی به نام Lead wire کمک می‌گیرند. این سیم‌ها نیز دارای مقاومت هستند، به همین خاطر بر نتیجه و دمای اندازه‌گیری شده تأثیرگذار خواهند بود. برای کاهش این اثربخشی استفاده از دو، سه یا چهار سیم به‌عنوان رابط توصیه می‌شود. البته رابط‌های دارای دو سیم توانایی رفع مقاومت را ندارند و تنها برای دستیابی به دمای تقریبی استفاده می‌شوند.

در ادامه با نحوه عملکرد سیم‌های رابط بیشتر آشنا می‌شوید:

سنسور RTD دوسیمه

با اتصال دوسیمه به سنسور، مقاومت سیم به مقاومت دستگاه اضافه می‌شود. پس با افزایش مقاومت، دمای اندازه‌گیری شده بیشتر از دمای حقیقی خواهد بود. هر چه طول سیم بیشتر، اثربخشی مقاومت سیم‌رابط بیشتر می‌شود.

سنسور RTD سه سیمه

در این سنسور همان‌طور که نامش پیداست، از سه سیم استفاده می‌شود. اجرای این سنسور سه‌سیمه به‌منظور حذف مقاومت آن از مدار در صنایع مختلف کاربرد بیشتری دارد. با کمک آن به میزان ایده‌آل مقاومت سیم‌های lead wire برطرف می‌شود و دمای نشان‌داده‌شده به واقعیت نزدیک‌تر است.

سنسور RTD چهار سیمه

با کمک سنسورهای چهار سیمه مقاومت اعمال شده از سوی سیم‌های رابط کاملاً رفع می‌شود. این سنسورها برای اندازه‌گیری‌های دقیق کاربرد فراوانی دارند.

انواع سنسور RTD از نظر ساختمان

ساختمان RTD بدین شکل است که سیم مقاومت به‌دور یک هسته سرامیکی یا شیشه‌ای پیچیده می‌شود. به‌طورکلی سه مدل اصلی سنسور به نام‌های Wire-wound، Thin-film و Coiled element معرفی‌شده‌اند:

سنسور لایه‌نازک (Thin-film):

این سنسور دارای لایه‌نازک مقاومتی روی یک بستر سرامیکی است. ضخامت لایه حدود ۱ الی ۱۰ نانومتر مشخص شده است. برای حفظ بهتر لایه سنسورهای لایه‌نازک از پوشش شیشه‌ای کمک گرفته‌اند. این سنسورها ماندگاری کمی نسبت به مدل‌های دیگر دارند، اما از جنس پلاتین ساخته می‌شود.

سنسور RTD سیم‌پیچ (Wire-wound):

این سنسور دقت بالایی برای ارائه دامنه گسترده‌ای از دما را دارد. ساختمان آن دارای یک سیم مقاومتی پیچیده شده به‌دور شاخه یا هسته عایق است. هسته آن به دو شکل مسطح یا گرد ارائه و از جنس سرامیک ساخته‌می‌شود. عایق الکتریکی نیز روی هسته را می‌پوشاند.

سیم‌های رابط به انتهای سیم حسگر یا مقاومت متصل هستند که این سیم‌ها با نام ELEMENT LEAD OR WIRE شناخته می‌شوند. معمولاً lead wire ها از نوعی هستند که با سیم حسگرها همخوانی دارند. در واقع هیچ نیرو محرکه الکتریکی از محل اتصال سیم حسگر به lead wire شکل نمی‌گیرد. به همین خاطر، هیچ اختلالی در نتیجه اندازه‌گیری وجود ندارد.

سنسور RTD المنت‌های کویل شده

این سنسور به‌عنوان جایگزین مناسب مدل wire-wound معرفی شده‌است. در ساخت آنها از سیم ای مقاومت کویل شده استفاده می‌کنند. نحوه اجرایی سیم‌های آن بدین‌گونه است که بعد از کویل شدن یا پیچاندن، درون قالب سرامیکی قرار می‌گیرند. قسمت خالی محفظه سنسور نیز با پودر عایق پر می‌شود.

تأثیری که تغییرات دما روی سیم مقاومت می‌گذارد، باعث انبساط و انقباض آزادانه آن می‌شود. بدین شکل، خطای به وجود آمده بر اثر فشار مکانیکی به کمترین میزان می‌رسد. از دیگر مزایای سنسورهای المنت کویل شده می‌توان به عایق‌بندی پودر و افزایش انتقال حرارت به سیم‌پیچ‌ها اشاره کرد که باعث تسریع زمان پاسخ‌دهی می‌شود.

ساختمان دماسنج RTD

این مدل سنسور از چند بخش اصلی تشکیل می‌شود که شامل المان فلزی، سیم، اتصالات، قطر بیرونی، انتهای سرد و لوله محافظ است.

المان فلزی سنسور:

المان فلزی بخش اصلی دستگاه است که با تغییر دما، مقاومت ایجاد می‌کند. میزان تغییر مقاومتی آنها به ضریب دمایی فلز بستگی دارد.

لوله‌های محافظ RTD:

این بخش RTD از فولاد ضدزنگ ۳۱۶ که مناسب مونتاژ تا دمای ۵۰۰ درجه فارنهایت هستند، ساخته‌می‌شود. در صورت اجرای این سنسور در دمای بالاتر از ۵۰۰ درجه فارنهایت، فلز اینکونل جایگزین فولاد خواهد شد.

سیم‌های RTD:

سیم‌ها که قبلاً با آنها آشنا شدید در تعداد ۲، ۳ و ۴ موجود است. برای عایق‌بندی آنها از تفلون و فایبرگلاس استفاده می‌کنند. تفلون مقاومت بالایی در برابر رطوبت دارد و تا دمای ۴۰۰ درجه فارنهایت هیچ مشکلی برای آن ایجاد نمی‌کند. فایبرگلاس نیز مقاومت خود را تا دمای ۱۰۰۰ درجه فارنهایت ثابت کرده است.

تکیه‌گاه:

برای تکیه‌گاه از دو فلز به جنس برنج و فولاد ضدزنگ استفاده می‌شود. برنج در برابر ضربه مقاوم است و فولاد نیز استحکام خوبی در برابر خوردگی و مواد شیمیایی دارد. با کمک پایه‌ها نحوه اتصالات راحت و سیم‌ها بدون هیچ پیچ‌خوردگی محکم می‌شود.

ترمینال با انتهای سرد:

ترمینال دستگاه برای اتصال دستگاه مانیتورینگ یا دیگر تجهیزات مانند PLC ها در نظر گرفته‌شده‌است.

نکات مهم در استفاده از سنسور RTD

سنسورهای از نوع مقاومتی با اندازه‌گیری مقاومت عنصر داخلی، دمای محیط را نشان می‌دهند. بدین منظور باید برای کاهش اثرگذاری مقاومت هادی برخی نکات رعایت شود:

⚡خطاهای Internal Conductors

دمای صحیح محیط تنها با اندازه‌گیری مقاومت داخلی بدون اثربخشی مقاومت Internal Conductors مشخص می‌شود. در مدل‌های ۳ سیمه و ۴ سیمه، یکسان بودن مواد هادی، قطر خارجی، طول سنسور و مقاومت الکتریکی ضروری است.

⚡خطاهای ناشی از عمق ناحیه نوک سنسور

از دیگر نکات مهم برای اندازه‌گیری دقیق، نصب قسمتی از نقطه اتصال به سنسور دما است. در این صورت همان دما موردنظر مشخص می‌شود.

⚡خطاهای ناشی از Self-Heating

RTD برای اندازه‌گیری دما، به مقدار مشخصی جریان نیاز دارد. عبور این جریان گرما تولید می‌کند و گرمایی که تولید می‌شود، خود دستگاه را نیز گرم خواهد کرد. این شرایط را با اصطلاح self-heating می‌شناسیم. مجذور مقدار جریان به‌عنوان ضریب گرمایش شناخته می‌شود. در صورت زیادتر بودن، احتمال خطا در دقت اندازه‌گیری را شاهد هستیم.

⚡توجه به جریان مشخص شده RTD

میزان جریان ورودی در ویژگی‌های سنسور مشخص می‌شود. به این موضوع حتماً توجه کنید و نگذارید جریان بیش از مشخصات سنسور به وجود آید. در صورت استفاده از جریان‌های مختلف، احتمال کاهش دقت در اندازه‌گیری افزایش می‌یابد.

⚡توجه به موقعیت سیم‌کشی Recorder-Conductors

اگر تصمیم به اتصال RTD به چند رجیستر به حالت موازی دارید، دماسنج دابل را انتخاب کنید. در صورت استفاده از دماسنج single، از داشتن RTD برای هر recorder مطمئن باشید.

تست سنسور دمای RTD

1. برای تست سنسور دما می‌توان از مقاومت سنج یا اهم‌متر استفاده کرد. اما اگر می‌خواهید برای این کار از مولتی‌متر دیجیتالی استفاده کنید، خوب است به مراحل زیر توجه کافی داشته باشید.

۲. روی مولتی‌متر دیجیتال علامت مقاومت نوشته شده‌است. مقاومت بین هر زوج سیم را اندازه‌گیری کنید. در سنسور دمای RTD عدد اندازه‌گیری شده باید نزدیک عدد ۱۰۰ در یک زوج صفر باشد.

۳. درصورتی‌که دو زوج ضریب خوانده شده نزدیک به عدد ۱۰۰ باشند، سنسور و سیم‌ها سالم هستند و دقت اندازه‌گیری دستگاه ایده‌آل است.

۴. دلیل نیاز داشتن به دو سیم در یک طرف این است که مقاومت سنسورهای RTD وابسته به دما تغییر می‌کند. سیم‌های دستگاه نیز مقاومت کمی دارند و هنگام اتصال به دستگاه کنترلر، مقاومت سیم‌ها قابل‌اندازه‌گیری است.