سنسورها نقش بسیار مهمی در اندازه‌گیری و کنترل پارامترهای مختلف دارند. یکی از سنسورهای حیاتی و پرکاربرد در عرصه اندازه‌گیری دما، سنسور دما RTD است. عبارت RTD مخفف “Resistance Temperature Detector” است. سنسور RTD بر اساس تغییر مقاومت الکتریکی با تغییر دما عمل می‌کند. این سنسورها از مواد مختلفی مانند پلاتینوم استفاده می‌کنند که به آن‌ها توانایی اندازه‌گیری دقیق دما و استحکام مکانیکی بالا را می‌بخشد.
سنسور دما RTD با دقت بالا، پاسخ‌دهی سریع و ثبات حرارتی برجسته، در صنایع مختلفی ازجمله صنعت خودروسازی، فضایی، پزشکی و غذایی به کار می‌رود. در این مقاله، به بررسی اصول کار و ویژگی‌های سنسور دما RTD، کاربردها و مزایای آن می‌پردازیم. تا انتها همراهی کنید و در دنیای مهم و پرکاربرد اندازه‌گیری دما با سنسورهای RTD قدم بگذاریم.
سنسور دما RTD چیست؟
سنسور (RTD (Resistance Temperature Detectors، سنسوری است که با تغییر دمای قطعه، مقاومت آن تغییر می‌کند و برای اندازه‌گیری دما استفاده می‌شود. سال‌هاست که برای اندازه‌گیری دما در فرآیندهای آزمایشگاهی و صنعتی مورد استفاده قرار می‌گیرند و به دقت، تکرارپذیری و پایداری شهرت پیدا کرده‌اند.
مقاومت RTD با افزایش دما به صورت خطی افزایش می‌یابد. بسیاری از RTD ها مقاومت سیمی (wire wound) نامیده می‌شوند. آن‌ها از یک سیم ریز تشکیل شده‌اند که دور یک شیشه یا هسته سرامیکی پیچیده شده است. سیم از پلاتین ساخته شده است. نکته جالب دیگر این است که عناصر RTD معمولاً در یک پروب محافظ قرار می‌گیرند تا از آن‌ها در برابر محیطی که در آن غوطه‌ور هستند، محافظت و آن‌ها را قوی‌تر کنند.
پروب pt۱۰۰ یکی از دقیق‌ترین و درعین‌حال محبوب‌ترین سنسورهای دما است. نه تنها دقت خوبی را ارائه می‌دهد، بلکه ثبات و تکرارپذیری عالی را نیز فراهم می‌کند. اکثر استانداردهای OMEGA pt۱۰۰ مطابق با DIN-IEC کلاس B هستند. Pt۱۰۰ نیز نسبتاً در برابر نویز الکتریکی مصون است و بنابراین برای اندازه‌گیری دما در محیط‌های صنعتی، به‌ویژه در اطراف موتورها، ژنراتورها و سایر تجهیزات ولتاژ بالا مناسب هستند.
سنسور دما RTD چگونه عمل می‌کند؟
بیایید اکنون نحوه عملکرد RTD را بررسی کنیم. همان‌طور که اشاره کردیم یک RTD شامل یک عنصر مقاومتی و سیم‌های پلاتینیوم عایق است. گاهی اوقات RTD ها می‌توانند سه یا حتی چهار سیم داشته باشند تا دقت را افزایش دهند و خطاهای مقاومت اتصال را حذف کنند. عنصر مقاومت از پلاتین تولید می‌شود، زیرا پایداری بسیار طولانی مدت و رابطه خطی بین دما و مقاومت، دامنه دمایی وسیع و بی‌اثر شیمیایی دارد.
RTD چطور اندازه گیری می‌کند؟
ازنظر نحوه عملکرد، سنسور دما RTD از یک اصل اساسی پیروی می‌کند. هنگامی‌که دمای یک فلز افزایش می‌یابد، مقاومت در برابر جریان الکتریسیته نیز افزایش می‌یابد. یک جریان الکتریکی از سنسور عبور می‌کند، عنصر مقاومت برای اندازه‌گیری مقاومت جریان عبوری از آن استفاده می‌شود. با افزایش دمای عنصر مقاومت، مقاومت الکتریکی نیز افزایش می‌یابد.
مقاومت الکتریکی برحسب اهم اندازه‌گیری می‌شود. سپس مقدار مقاومت را می‌توان بر اساس ویژگی‌های عنصر به دما تبدیل کرد. معمولاً زمان پاسخ برای RTD بین ۰.۵ تا ۵ ثانیه است. این باعث می‌شود آن‌ها برای بسیاری از کاربردها بسیار مناسب باشند.
کاربردهای سنسور دما RTD
سنسورهای RTD عمدتاً در صنایع زیر استفاده می‌شوند:
- خودروسازی
- الکترونیک قدرت
- لوازم الکترونیکی مصرفی
- جابجایی و فرآوری مواد غذایی
- الکترونیک صنعتی
- الکترونیک پزشکی
- نظامی
- هوافضا
انواع سنسورهای RTD
آشکارسازهای دمای مقاومتی را می‌توان به دو نوع RTD دسته‌بندی کرد. نوع آن‌ها بر اساس روش تولید عنصر حسگر دما است. نوع اول شامل عناصر سیمی است، درحالی‌که نوع دوم حاوی عناصر لایه نازک است.
1- RTD های لایه نازک
عناصر RTD لایه نازک با قرار دادن یک لایه نازک از فلز که در بیشتر موارد پلاتین است بر روی یک ماده زیرلایه سرامیکی ساخته می‌شوند. فیلم فلزی (metal film) با لیزر برش داده می‌شود یا در یک الگوی مدار الکتریکی حک می‌شود که مقدار مشخص شده مقاومت را فراهم می‌کند. سپس سیم‌های سربی متصل می‌شوند و یک پوشش شیشه‌ای محافظ نازک بر روی کل عنصر اعمال می‌شود.
مزایای RTD های لایه نازک این است که قابل اعتماد هستند و با هزینه کم تولید می‌شوند. علاوه بر این، نسبت به انواع دیگر سنسورهای RTD، در برابر ارتعاشات مقاوم‌تر هستند.
2- RTD های سیمی
نوع دیگر سنسور دما RTD، سیمی است. عنصر حسگر آن از یک سیم‌پیچ کوچک از سیم پلاتین بسیار نازک تشکیل می‌شود. سیم‌پیچ معمولاً در داخل یک لوله سرامیکی یا شیشه‌ای بسته‌بندی می‌شود یا سیم را می‌توان در اطراف قسمت بیرونی مواد محفظه سرامیکی یا شیشه‌ای پیچاند.
مزایای RTD های سیم‌پیچ این است که بسیار دقیق هستند و آن‌هایی که دارای هسته‌های شیشه‌ای هستند می‌توانند به راحتی در بسیاری از مایعات غوطه‌ور شوند. درحالی‌که آن‌هایی که دارای هسته‌های سرامیکی هستند می‌توانند برای اندازه‌گیری دقیق دماهای بسیار بالا استفاده شوند. معایب RTD های سیمی این است که تولید آن‌ها نسبت به لایه نازک گران‌تر است و به لرزش حساس‌تر هستند.
آیا از سنسورهای RTD به جای ترموکوپل می‌توان استفاده کرد؟
بله می‌توان از سنسورهای RTD به جای ترموکوپل استفاده کرد. هر دو نوع سنسور، یعنی سنسورهای RTD و ترموکوپل‌ها، برای اندازه‌گیری دما استفاده می‌شوند؛ اما هرکدام ویژگی‌ها و مزایای خود را دارند.
مزایای سنسورهای RTD شامل دقت بالا، پاسخ‌دهی سریع، ثبات حرارتی و انتقال داده‌های قابل اعتماد در محدوده دمایی وسیع‌تر است. آن‌ها معمولاً دارای خطای کمتری نسبت به ترموکوپل‌ها هستند و ارزش اندازه‌گیری دما را با دقت بیشتری ارائه می‌دهند، به ویژه در دماهای پایین. به علاوه، سنسورهای RTD بهره‌وری بالا در دماهای نزدیک به دمای اتاق و قابلیت خطی بودن در اندازه‌گیری دما را دارند که برعکس ترموکوپل‌ها که معمولاً خطی نیستند.
با این حال، برای برخی از برنامه‌ها و شرایط خاص، مانند دماهای بسیار بالا یا محیط‌هایی با شرایط خاص مثل املاح، کربنات‌ها یا ارتعاشات شدید، ترموکوپل‌ها ممکن است گزینه‌ی مناسب‌تری باشند.
به طور کلی، تصمیم در مورد استفاده از سنسور RTD یا ترموکوپل باید بر اساس نیازها و شرایط محیطی خاص هر برنامه واگذار شود.
تفاوت بین RTD و ترموکوپل چیست؟
تعدادی تفاوت بین ترموکوپل و سنسور دما RTD وجود دارد. در زیر به موارد اصلی اشاره کرده‌ایم.
- ترموکوپل‌ها معمولاً کوچک‌تر از RTD هستند و استفاده از آن‌ها را آسان‌تر می‌کند.
- ترموکوپل‌ها (۲۰۰- تا ۲۰۰۰ درجه سانتی‌گراد) نسبت به RTD ها (۲۰۰- تا ۶۰۰ درجه سانتی‌گراد) طیف وسیع‌تری از عملکرد دما را ارائه می‌دهند. این بدان معناست که ترموکوپل‌ها برای کاربردهای بیشتری مناسب هستند.
- ترموکوپل‌ها زمان پاسخگویی بین ۰.۱ تا ۱۰ ثانیه را ارائه می‌دهند که سریع‌تر از زمان پاسخ سنسورهای RTD است.
- RTD ها می‌توانند خودبه‌خود گرم شوند درحالی‌که این مشکل در ترموکوپل‌ها به‌ندرت اتفاق می‌افتد.
- ترموکوپل‌ها نسبت به سنسورهای دمای RTD حساس‌تر هستند. این به این دلیل است که این‌ها سریع‌تر از RTDها با تغییر دما واکنش نشان می‌دهند.
- برای ترموکوپل‌ها، نمودار بین مقاومت و دما خطی نیست، درحالی‌که یک RTD خطی است.
ترمیستورهای NTC در مقابل سنسورهای دمای RTD
هم ترمیستورها و هم آشکارسازهای دمای مقاومتی (RTD) انواعی از مقاومت‌ها با مقادیر مقاومتی هستند که تغییرات دمای آن‌ها متفاوت است. اکثر RTD ها از یک عنصر ساخته شده از یک فلز خالص تشکیل شده‌اند (پلاتین معمولاً مورداستفاده قرار می‌گیرد) و در یک پروب یا غلاف محافظت می‌شود یا در یک بستر سرامیکی تعبیه شده است.
ترمیستورها از مواد کامپوزیتی، معمولاً اکسیدهای فلزی مانند منگنز، نیکل یا مس، همراه با عوامل اتصال و تثبیت‌کننده‌ها ساخته شده‌اند. در سال‌های اخیر، ترمیستورها به دلیل پیشرفت در اندازه‌گیری و کنترل‌کننده‌ها محبوبیت فزاینده‌ای پیدا کرده‌اند. تنظیم‌کننده‌های امروزی به اندازه کافی منعطف هستند و به کاربران اجازه می‌دهند طیف وسیعی از ترمیستورها را تنظیم کنند و پروب ها را به راحتی تعویض کنند.
با این حال، برخلاف RTD ها که استانداردهای تعیین شده را ارائه می‌دهند، منحنی‌های ترمیستور بسته به سازنده متفاوت است. الکترونیک سیستم ترمیستور باید با منحنی سنسور مطابقت داشته باشد.
درحالی‌که در RTD ها یک همبستگی مثبت بین مقاومت و دما وجود دارد (با افزایش دما، مقاومت نیز افزایش می‌یابد)، در ترمیستورهای ضریب دمای منفی (NTC) رابطه معکوس برقرار است (مقاومت با افزایش دما کاهش می‌یابد).
رابطه بین دما و مقاومت برای RTDS خطی است، اما برای ترمیستورهای NTC، نمایی است و می‌توان آن را در امتداد یک منحنی رسم کرد.
ترمیستورهای RTD و NTC هر دو به یک منبع جریان یا تحریک نیاز دارند و هر دو برای استفاده در کاربردهایی که نیاز دارند مناسب هستند:
- دقت
- ثبات بلند مدت خوب
- مصونیت در برابر نویز الکتریکی در محیط
تفاوت بین ترمیستور NTC و سنسور دما RTD چیست؟
مهم‌ترین تفاوت‌های بین ترمیستورهای NTC و سنسورهای دمای RTD شامل موارد زیر است:
- برخلاف RTD ها، ترمیستورها فقط می‌توانند محدوده کوچک‌تری از دما را نظارت کنند. درحالی‌که برخی از RTD ها می‌توانند به ۶۰۰ درجه سانتی‌گراد برسند، ترمیستورها فقط تا ۱۳۰ درجه سانتی‌گراد می‌توانند اندازه‌گیری کنند.
- اگر برنامه شما شامل دمای بالاتر از ۱۳۰ درجه سانتی‌گراد است، تنها گزینه شما پروب RTD است.
- ترمیستورها در مقایسه با RTD ها بسیار ارزان هستند. اگر دمای کاربرد شما با محدوده موجود مطابقت دارد، ترمیستورها احتمالاً بهترین گزینه هستند. با این حال، ترمیستورها با دامنه دمایی گسترده و/یا ویژگی‌های قابلیت تعویض اغلب گران‌تر از RTDها هستند.
- هم ترمیستورها و هم RTD به تغییرات دما با تغییرات قابل پیش‌بینی مقاومت واکنش نشان می‌دهند. با این حال، ترمیستورها در مقایسه با تعداد کمتری از اهم برای سنسورهای RTD، مقاومت را ده‌ها اهم در هر درجه تغییر می‌دهند؛ بنابراین با استفاده از متر مناسب، کاربر می‌تواند قرائت‌های دقیق‌تری به دست آورد.
- زمان پاسخ ترمیستور نیز نسبت به RTD ها بهتر است و تغییرات دما را بسیار سریع‌تر تشخیص می‌دهد. ناحیه حسگر یک ترمیستور می‌تواند به کوچکی سر پین باشد و بازخورد سریع‌تری ارائه دهد.
- اگرچه بهترین RTD ها دقتی مشابه ترمیستورها دارند، اما RTD ها به سیستم مقاومت می‌بخشند. استفاده از کابل‌های بلند می‌تواند خوانش‌ها را خارج از سطوح خطای قابل قبول تغییر دهد.
- هر چه ترمیستور بزرگ‌تر باشد، مقدار مقاومت سنسور بالاتر است. اگر با مسافت‌های طولانی سر و کار دارید و گزینه‌ای برای اضافه کردن فرستنده وجود ندارد، ترمیستور راه‌حل بهتری است.
سنسور دمای RTD دیجیتال است یا آنالوگ؟
سنسورهای دمای RTD از طریق تغییر مقاومت الکتریکی بر اثر تغییر دما عمل می‌کنند. در اکثر موارد، سنسورهای RTD خروجی آنالوگ دارند، به این معنی که مقاومت الکتریکی آن‌ها با تغییر دما تغییر می‌کند و این تغییر مقاومت الکتریکی به عنوان خروجی سنسور تحویل داده می‌شود.
بنابراین، سنسورهای RTD انتقال اطلاعات دما را به صورت آنالوگ انجام می‌دهند و به عنوان ورودی برای سیستم‌های الکترونیکی مانند مبدل‌های آنالوگ به دیجیتال (ADC) می‌توانند استفاده شوند تا اطلاعات دما به صورت دیجیتال دریافت و پردازش شوند.
اگرچه سنسورهای RTD در خروجی آنالوگ دارند، با اتصال یک مبدل آنالوگ به دیجیتال (ADC)، می‌توان این سیگنال را به داده‌های دیجیتال تبدیل کرد و با استفاده از سیستم‌های الکترونیکی دیجیتالی به طور کامل از سنسورهای RTD بهره برد.
لذا، سنسورهای دمای RTD عموماً به عنوان سنسورهای دمای آنالوگ محسوب می‌شوند که می‌توانند با استفاده از مبدل‌های آنالوگ به دیجیتال (ADC) اطلاعات دما را به شکل دیجیتال برای پردازش بیشتر به سیستم انتقال دهند.
چگونه سنسور دما RTD را تست کنیم؟
برای تست سنسور RTD مولتی متر خود را روی حالت مقاومت تنظیم کنید. پس از آن، قرائت‌ها را در پایانه‌های RTD بررسی کنید. در دمای اتاق (حدود ۲۰ درجه سانتی‌گراد) قرائت باید حدود ۱۱۰ اهم باشد. به خاطر داشته باشید که مقدار خواندن ممکن است متفاوت باشد که به دمای اتاق بستگی دارد.
درنهایت، سنسور دمای RTD را در آب یخ قرار دهید. سپس، پس از چند دقیقه دوباره خوانش ها را بررسی کنید. اکنون باید عددی کمتر از دمای اتاق دریافت کنید. این عدد باید حدود ۱۰۰ اهم باشد.
منابع:
سلام
تشکر بابت