سنسور RTD در المنت اریان

سنسور RTD در المنت اریان

سنسور RTD در المنت اریان


سنسور RTD در المنت اریان

سنسور RTD در المنت اریان

سنسور RTD یا حسگر مقاومتی دما چیست؟

 

حسگر مقاومتی دما یا Resistance Temperature Detector – RTDs، سنسورهای اندازه گیری دما به روش تماسی هستند.سنسور RTD در المنت اریان 

سنسور هایRTD از فلز هایی با جنس خاص همچون پلاتین،

نیکل یا مس ساخته شده است و مقاومت الکتریکی آن ها با نوسان دما به صورت خطی تغییر می کند.

مقاومت الکتریکی عموماً با افزایش دما، افزایش می یابد و در این حالت تجهیز اندازه گیری ضریب دمایی مثبت دارد. مقدار ضریب دمایی، حساسیت RTD را تعیین می کند.سنسور RTD در المنت اریان 

از آنجا که سنسور های RTD شکننده هستند، درون یک پوسته محافظ قرار داده می شوند.

RTD ها به نسبت ترموکوپل ها دقت بسیار بالایی دارند و جهت اندازه گیری دما های زیر 600 درجه سانتی گراد،

به تدریج جایگزین ترموکوپل ها می شوند شایان ذکر است

در مدارات آنالوگ بیشتر از RTD ها به عنوان سنسور های دما استفاده می شود.سنسور RTD در المنت اریان 

 

سنسورهای RTD بر اساس روش ساخت

سنسور هایRTD با توجه به نحوه ساخت به دو نوع سیم پیچی شده و فیلم نازک تقسیم می شوند،

که در زیر به شرح هر یک می پردازیم:

 

سنسور RTD سیم پیچی شده

حسگر مقاومتی سیم پیچی شده

اکثر عناصر RTD از یک سیم پیچ خورده ریز در اطراف هسته سرامیکی یا شیشه ای تشکیل شده است.

این عنصر معمولاً بسیار شکننده است، بنابراین برای محافظت در برابر اتصال کوتاه و

ایجاد مقاومت لرزشی غالباً درون یک پراب غلاف قرار می گیرد.سنسور RTD در المنت اریان

RTD های سیم پیچی شده پایدار می باشند

اما به دلیل پایین بودن هدایت الکتریکی بین پلاتین و نقطه مورد اندازه گیری،

دارای پاسخ حرارتی کند می باشند. این نوع سنسور ها جهت کار در هر محیطی و هر نوع کاربردی مناسب می باشند.سنسور RTD در المنت اریان 

 

سنسور RTD فیلم نازک

حسگر مقاومتی فلیم نازک

در سنسورRTD فیلم نازک یک لایه پلاتین به شکل مقاومت روی یک لایه سرامیک قرار می گیرد

و سپس این فیلم با شیشه یا اپوکسی پوشانده می شود تا در برابر رطوبت و ارتعاش مقاوم گردد. 

RTD های فیلم نازک دارای پاسخ حرارتی سریع، حساسیت پایین نسبت به ارتعاش و

 دارای قابلیت ایجاد مقاومت بالاتر برای یک اندازه مشخص می باشند.

این RTD ها دارای پایداری کمتری نسبت به RTD های سیم پیچی شده می باشند،

ولی به دلیل قیمت بسیار پایین تر, کاربرد بسیار فراوانی دارند.

اجزاء تشکیل دهنده سنسور RTD

 

اجزاء تشکیل دهنده حسگر های مقاومتی شامل المان مقاومتی، اتصال فرآیند، سیم کشی، انتهای سرد، لوله RTD و قطر خارجی می باشد که در ادامه به شرح هر یک می پردازیم:

المان مقاومتی پلاتین

بخش اصلی اندازه گیری دما المان مقاومتی می باشد که این المان می تواند از جنس پلاتین، نیکل و مس باشد. طول المان مقاومتی از ⅛ تا 3 اینچ متغییر می باشد. ضریب دمای استاندارد آلفا 0.00385 و مقاومت استاندارد 100 اهم در 0 درجه سانتیگراد است.

اتصال فرایند

اتصال فرآیند در RTD ها همانند ترموکوپل شامل تمامی اتصالات استاندارد از قبیل اتصالات فشاری، جوشی، فنری و غیره می باشد.

سیم کشی

RTD ها به صورت دو، سه و چهار سیمه ساخته می شوند.

RTD های چهار سیمه جهت اندازه گیری دقیق دما در موارد خاص به کار می روند و دارای دوسیم برای انتقال جریان حسگر و دوسیم جهت اندازه گیری ولتاژ روی عنصر حسگر می باشند.

عایق سنسورها و سیم ها با توجه به نوع کاربرد انتخاب می شود، عایق سیم ها اغلب تفلون و فایبرگلاس می باشد.

انتهای سرد

اتصال سرد در RTD ها به صورت دو شاخه، سیم لخت، ترمینال و سایر اتصالات مرتبط با ترموکوپل می تواند باشد.

لوله سنسورRTD

با توجه به نوع کاربرد، از لوله هایی با جنس های مختلف استفاده می شود. برای مثال برای کاربری زیر دمای 500 درجه فارنهایت از استنلس استیل 316 و برای کاربری در دما های بالای 500 درجه فارنهایت از اینکونل 600 استفاده می شود.

قطر خارجی

قطر خارجی RTD، 0.063 تا 500 اینچ می باشد.

 

تصاویر سنسورRTD

حسگر مقاومتی دما RTD

سنسور RTD

ابعاد حسگر مقاومتی دما

انواع سنسور RTD

RTD ها بر اساس نوع جنس فلزی که در سنسور آن ها استفاده می شود دسته بندی می شوند.

  • سنسورRTD با سنسور پلاتین

RTD ها با المان پلاتین، مرسوم ترین نوع RTD هستند که در صنایع فرایندی استفاده می شوند. پلاتین معمول ترین فلز برای RTD هاست، از جمله ویژگی های پلاتین می توان به موارد زیر اشاره کرد

  1. خنثی از نظر شیمیایی 
  2. دقت کالیبره شده خوب
  3. پایدار و تکرار پذیر
  4. ایجاد رابطه بین تغییرات دما و مقاومت،
  5. ضریب دمایی بالا

 

اجزاء حسگر مقاومتی دما یا RTD

دو نوع اصلی RTD از جنس پلاتین با عنوان PT100 و PT1000 شناخته می شوند،

 اما سنسورهای دیگری مانند PT50 ،PT500 و دیگر خانواده های پلاتین نیز موجود می باشند،

البته انتخاب نوع سنسور بسته به نوع کاربری می باشد و به طور معمول سنسور های PT100 بیشتر

در صنایع تولیدی کاربرد دارند.

شایان ذکر است به این نکته توجه فرمایید که با افزایش طول کابل در سنسور های PT1000

دو سیمه خطای کمتری نسبت به سنسور های PT100 رخ می دهد.

RTD ها با سنسور پلاتین در انواع PT100، PT500 و PT1000 موجود می باشند،

که مهمترین این سنسور ها PT100 است. در جدول زیر ضریب دمایی و حساسیت

انواع سنسور های پلاتین نشان داده شده است.

 

سنسور دما PT100

عبارت PT بیان می کند که جنس فلز ، پلاتین است و عبارت 100 ، مقاومت فلز بر حسب اهم در درمای 0 درجه سانتی گراد است. 

همچنین این سنسور ها دارای مقاومت 134 اهم در دمای 100 درجه سانتی گراد می باشند.

سنسور های PT100 بازه دمای 200- تا 600 درجه سانتی گراد را اندازه گیری می کنند

و با افزایش و یا کاهش هر درجه سانتی گراد، 0.385 اهم از مقاومتشان کم یا زیاد می شود.

بنابراین حتی یک خطای کوچک در اندازه گیری مقاومت به عنوان مثال،

مقاومت سیم های منتهی به سنسور، می تواند باعث ایجاد یک خطای بزرگ در اندازه گیری دما شود.

PT100 برخلاف ترموکوپل ها به کابل های خاص جهت اتصال نیاز ندارند.

PT100 نیز نسبتاً در برابر سر و صدا الکتریکی مصون است و بنابراین

برای اندازه گیری دما در محیط های صنعتی، به ویژه در اطراف موتورها،

ژنراتور ها و سایر تجهیزات ولتاژ بالا مناسب است، شایان ذکر است

که این مدل موفق به کسب استاندارد های بسیاری شده است که در زیر نام برده شده است:

  1. استاندارد سنسور های PT100  
  2. استاندارد اروپایی (DIN یا IEC60751)
  3. استاندارد آمریکایی (JIS)
  4. در استاندارد اروپایی یا به اختصار استاندارد IEC751 مقاومت الکتریکی

در دمای 0 درجه سانتی گراد 100 اهم در نظر گرفته می شود و

ضریب مقاومت دمایی 0.00385 (در دمایی بین 0 تا 100 درجه سانتی گراد) می باشد.

عوامل بسیاری در انتخاب سنسور PT100 موثر می باشد که برخی از آن ها شامل موارد زیر می باشد:
  1. محدوده دما
  2. پراب و کابل متناسب با کاربرد
  3. نوع سیال و فلزات (خورنده یا رسانا)
  4. اتصالات لحیم کاری شده روی کابل ترموکوپل نباید در دمای بیشتر از

170 درجه سانتی گراد مورد استفاده قرار گیرد.

سنسور دما PT500

در این سنسور ها، جنس سنسور از پلاتین می باشد و دارای مقاومت 500 اهم

در دمای 0 درجه سانتی گراد می باشد.

سنسور دما PT1000

در این مورد نیز PT بیانگر پلاتین برای جنس فلز است و مقاومت، 1000 اهم در دمای 0 درجه سانتی گراد است.

  • سنسورRTD با سنسور مسی (Copper)

ان های RTD از جنس مس در محدوده دمایی خود بسیار خطی هستند،

ولی دقت محدودی دارند و محدوده دمایی آن ها نسبت به المان های پلاتینی کوچک تر است.

سنسورهای RTD از جنس مس کم هزینه بوده ولی به این نکته باید توجه نمود

که مس در دمای بسیار بالا اکسید می شود. محدوده دمایی

سنسور مسی 200- تا 260 درجه سانتی گراد می باشد.

المان های مس غالباً برای اندازه گیری دما در سیم پیچ های موتور و

یاتاقان ها استفاده می شود البته در مواردی که دقت، موضوع حیاتی نیست.

  • سنسورRTD با سنسور نیکل (Nickel)

المان های RTD از جنس نیکل دارای ضریب دمایی بزرگتری نسبت

به المان های RTD پلاتینی و مسی هستند و مقاومت خوبی در برابر خوردگی دارند 

ولی ویژگی خطی ضعیف، دقت محدود، تکرارپذیری کمتر و محدوده

دمایی کاری نسبتاً کوچک، 80- تا 260 درجه سانتی گراد را دارا می باشند.

RTD های نیکل دارای قیمت کمتری نسبت به پلاتین می باشند و 

المان های آن ها معمولاً در کاربرد هایی که دقت، موضوع مهمی به شمار نمی رود، استفاده می شوند.

 

انواع سنسورRTD

بر اساس روش اندازه گیری مقاومت الکتریکی سنسور آن ها

  • RTD های دو سیمه (Tow-Wire RTD)
  • RTD های سه سیمه (Three-Wire RTD)
  • RTD های چهار سیمه (Four-Wire RTD)

برای خواندن دقیق دما از یک RTD، مقاومت المان حسگر RTD باید اندازه گیری شود.

هر سیم رابط مسی که به المان حسگر RTD وصل می شود خود دارای مقاومت است

که این مقاومت به مقاومت المان حسگر RTD اضافه می شود.

اگر مقاومت اضافه شده نادیده گرفته شود، خطا بوجود می آید و اندازه گیری دما دقیق نخواهد بود.

خطای حاصل، ” تاثیر سیم رابط ” خوانده می شود. هر چه طول سیم بیشتر باشد خطا بیشتر خواهد بود.

برای جبران سازی تاثیر سیم رابط، RTD های سه سیمه و چهارسیمه به جای دو سیمه استفاده می شوند.

RTD های سه سیمه با اتصال یک سیم اضافه به یکی از سیم های اولیه ایجاد می شود

و RTD های چهار سیمه با اتصال یک سیم مسی اضافه به هر یک از سیم های رابط موجود ایجاد می شود.

سنسور RTD در المنت اریان

سنسور RTD دو سیمه (Tow-Wire RTD)

حسگر مقاومتی دما RTD دو سیمه

این مدل رایج ترین و ساده ترین نوع اتصال در RTD ها می باشد و زمانی استفاده می شود که دقت اندازه گیری پایین مورد استفاده باشد.

مشکل اصلی در اندازه گیری دو سیمه این است که تغییر مقاومت ناشی از سیم های رابط مشخص نیست و تجهیز اندازه گیری نمی تواند بین مقاومت RTD و مقاومت سیم های رابط تفاوتی قایل شود. مقاومت دو سیم رابط به مقاومت المان RTD اضافه می شود و باعث کاهش دقت اندازه گیری می شود. RTD های دو سیمه معمولا در کاربردهای HVAC استفاده می شود.سنسور RTD در المنت اریان 

در این روش ماکزیمم تا 100 متر کابل می توان استفاده کرد.

 

سنسور RTD سه سیمه (Three -Wire RTD)

 RTD سه سیمه (Three -Wire RTD)

RTDهای سه سیمه قادر به جبران سازی تاثیر سیم های رابط هستند، ولی هزینه اضافی ناشی از سه سیمه شدن را به دنبال دارند. روش های مختلفی برای انجام جبران سازی و یافتم مقاومت المان RTD وجود دارد. یکی از روش های معمول، استفاده از قانون اهم است.سنسور RTD در المنت اریان 

در صورت هم جنس و هم طول بودن سه سیم داریم

R1=R2=R3

با اندازه گیری مقاومت مسیر 2 و 3 (R2 و R3)، فقط مقاومت سیم های مسی بدست می آید و از آنجا که تمام مقاومت سیم های مسی برابر است، مقدار (R2 R3) را از کل مقاومت مسیر R1 R2 کم می می شود و مقدار مقاومت RT محاسبه می شود.سنسور RTD در المنت اریان 

RT = (R1+2+RE)-(R2+3)

RTD سه سیمه معمولا در کاربری های صنعتی برای حذف میانگین مقاومت سیم ها مورد استفاده قرار می گیرد. وقتی که فاصله بین سنسور و دستگاه اندازه گیری یا کنترل طولانی باشد با استفاده از مدل سه سیمه به جای چهار سیمه می توان در هزینه ها صرفه جویی کرد. در این روش ماکزیمم تا 600 متر کابل می توان استفاده کرد.

سنسور RTD در المنت اریان

سنسور RTD چهار سیمه (Four-Wire RTD)

 

 RTD چهار سیمه (Four-Wire RTD)

 

RTD های چهار سیمه بهترین جبران سازی را دارند، زیرا قادرند مقاومت سیم ها را بدون توجه به طول هر یک از سیم ها کاملاً جبران کنند و در سرویس های حساسی که به دقت بالایی نیاز دارند، استفاده شوند. در این روش، 4 نقطه سنس، افت ولتاژ حاصل در اندازه گیری را که منجر به ایجاد خطا می شود، حذف می کنند تا دقت اندازه گیری بالا رود. هر ولتاژ ترموالکتریک نشتی تولید شده ناشی از جنس متفاوت سیم یا اتصالات پیچ ها، با برعکس کردن جهت جریان 1 میلی آمپر و اتصالات به ولت متر دیجیتال (DVM)، حذف می کند. ولتاژ های ترموالکتریک فقط در یک جهت تولید می شوند.سنسور RTD در المنت اریان 

 

تبدیل مقاومت به دما

پس از اینکه مقاومت RTD تعیین شد، باید به مقدار دمای متناظرش تبدیل شود. در ترنسمیترها، یکی از دو روش زیر استفاده می شود:

بر اساس استاندارد RTD

  • در استاندارد IEC-751

در استاندارد IEC-751، مقدار ماکزیمم ” خطای قابلیت تعویض سنسور ” در دمای فرایند معین و در دو کلاس A و B تعریف می شود. این کلاس ها برای مشخص کردن RTD های پلاتینی استفاده می شوند.سنسور RTD در المنت اریان 

  • RTD کلاس A

در کلاس A، دقت RTD ها برابر ±0.15 ͦC + (0.002T)  ͦC تعریف شده است که در آن T دمای فرایند بر حسب ͦ C است. RTD های کلاس A گران تر از RTD های کلاس B هستند.سنسور RTD در المنت اریان 

  • RTD کلاس B

در کلاس B، دقت RTD ها برابر ±0.3  ͦC + (0.005T)  ͦC تعریف شده است که در آن T دمای فرایند بر حسب ͦ C است. از آنجا که RTD های کلاس B ارزان تر از RTD های کلاس A هستند در صنعت کاربرد بیشتری دارند.سنسور RTD در المنت اریان 

 

 

معادله Callendar-Van Dusen

میزان تغییر مقاومت در اثر تغییر دما به صورت زیر محاسبه می شود.

(…+R0 (1+α_1T+ α_2T2+…+ α_nTn

 

دقت سنسور RTD

دقت ترکیبی از تحمل مقاومت پایه یا تحمل مقاومت در دمای کالیبراسیون و ضریب دمای تحمل مقاومت یا تحمل در شیب مشخصه است. در واقع هنگامی که در مورد دقت صحبت می کنیم معمولاً منظور درجه انحراف، درجه حرارت یا درجه تحمل آن سنسور می باشد. استاندارد های مختلفی برای بیان دقت و تحمل RTD های پلاتین وجود دارد که متداول ترین آن IEC 751 1995 می باشد و دارای دو کلاس عملکرد A و B می باشد.سنسور RTD در المنت اریان 

 

نمودار مقاومت سنسور RDT

نمودار تلورانس سنسور RDT

 

نمودار تغییرات مقاومت برحسب دما در سنسور های RTD

مطابق شکل زیر هر دمابالاتر یا پایین تراز این دما عملکردی سنسور ها باشد، دقت سنسور کاهش می یابد.

نمودار تغییرات مقاومت برحسب دما در حسگر مقاومتی

نمودار استاندارد دقت در سنسور RTD

نمودار استاندارد دقت در حسگر مقاومتی

 

کاربرد سنسورRTD

  • صنعت نفت و گاز
  • صنعت آب و فاضلاب
  • نیروگا ها
  • هوا ساز ها و سیستم های سرمایشی
  • صنایع شیمیای و پتروشیمی
مزایای حسگر مقاومتی دما سنسور RTD

مزایای استفاده از RTD ها در مقایسه با ترموکوپل ها

  • دقت و تکرارپذ یری بهتر دارند.سنسور RTD در المنت اریان 
  • سیگنال RTD ها حساسیت کمتری به نویز دارد و نسبت سیگنال به نویز آن ها بیشتر است.
  • در محدوده دمای کاری، خطی تر هستند.سنسور RTD در المنت اریان 
  • خطاهای مربوط به اتصال سرد در RTD ها مطرح نیست.سنسور RTD در المنت اریان 
  • انحراف RTD(Drift) قابل پیش بینی است در حالیکه در ترموکوپل قابل پیش بینی نیست.
  • تغییراتی که در طول زمان به خاطر شوکهای مکانیکی، خوردگی و سیکل های دمایی اتفاق می افتد روی خروجی یک RTD یا ترموکوپل تاثیر می گذارد. این تغییرات با انجان برخی ملاحظات راجع به RTD ها قابل حذف است. این ویژگی در مورد ترموکوپل ها در دسترس نیست.سنسور RTD در المنت اریان 
  • RTD ها به سیم های الحاقی ویژه نیاز ندارند.سنسور RTD در المنت اریان 

نکاتی در مورد سنسور RTD

  • شکننده و دارای ابعاد بزرگ هستند.
  • به دلیل ابعاد بزرگتر نسبت به ترموکوپل ها، پاسخ زمانی آهسته تری نسبت به تغییرات دما دارند.

زمان پاسخ آن ها معمولا از 0.5 ثانیه تا 5 ثانیه است. زمان پاسخ با افزایش ابعاد RTD افزایش می یابد.

استفاده از ترموول می تواند زمان پاسخ را دو برابر کند.سنسور RTD در المنت اریان 

  • دارای مشکلات ناشی از گرم شدن هستند. به همین دلیل برای دما های زیر 600 ͦدرجه سانتی گراد کاربردی هستند.
  • در برابر نویز الکتریکی حساس هستند.سنسور RTD در المنت اریان 
  • هزینه تست و تشخیص عیب آن ها زیاد است.سنسور RTD در المنت اریان 
  • در مقایسه با ترموکوپل ها قیمت بالاتری دارند.سنسور RTD در المنت اریان 

بدون دیدگاه

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد.