سنسور تشخیص دمای مقاومت حرارتی RTD چیست؟?

آشکارسازهای مقاومتی دما یا RTD ممکن است انواع ساده سنسورهای دما باشند. این دستگاه ها بر اساس این اصل کار می کنند که مقاومت یک فلز با دما تغییر می کند. فلزات خالص عموماً دارای ضریب مقاومت دمایی مثبت هستند, به این معنی که مقاومت آنها با افزایش دما افزایش می یابد. RTD ها در محدوده دمایی گسترده ای عمل می کنند -200 درجه سانتی گراد تا +850 درجه سانتی گراد و دقت بالایی ارائه می دهد, پایداری طولانی مدت عالی, و تکرارپذیری.

ردیاب درجه حرارت مقاومت پلاتین MAX31865 RTD PT100 & PT1000

فرستنده دما RTD PT100 DC24V منهای 50 ~ 100 درجه

پروب سنسور دما RTD Pt100 برای فر

در این مقاله, ما مبادلات استفاده از RTD ها را مورد بحث قرار خواهیم داد, فلزات به کار رفته در آنها, دو نوع RTD, و چگونه RTD ها با ترموکوپل ها مقایسه می شوند.

قبل از شیرجه رفتن, بیایید برای درک بهتر مبانی RTD به یک نمونه نمودار کاربردی نگاهی بیندازیم.

مثال نمودار کاربرد RTD

RTD ها دستگاه های غیرفعال هستند که به خودی خود سیگنال خروجی تولید نمی کنند. رقم 1 یک نمودار کاربردی RTD ساده شده را نشان می دهد.

نمودار مدار برای برنامه RTD Example.jpeg

رقم 1. مثال نمودار برنامه RTD.

جریان تحریک I1 از مقاومت وابسته به دما سنسور عبور می کند. این یک سیگنال ولتاژ تولید می کند که متناسب با جریان تحریک و مقاومت RTD است.. سپس ولتاژ در RTD تقویت شده و به یک ADC ارسال می شود (مبدل آنالوگ به دیجیتال) برای تولید یک کد خروجی دیجیتال که می تواند برای محاسبه دمای RTD استفاده شود.

معاوضه استفاده از سنسورهای RTD - مزایا و معایب سنسورهای RTD

قبل از شیرجه رفتن, توجه به این نکته مهم است که جزئیات تهویه سیگنال RTD در مقاله آینده پوشش داده خواهد شد. برای این مقاله, من می خواهم برخی از مبادلات اساسی را هنگام استفاده از مدارهای RTD برجسته کنم.

اولی, توجه داشته باشید که جریان تحریک معمولاً به اطراف محدود می شود 1 mA برای به حداقل رساندن اثرات خود گرمایشی. هنگامی که جریان تحریک از طریق RTD جریان می یابد, گرمایش I2R یا ژول ایجاد می کند. اثرات خود گرمایشی می تواند دمای سنسور را به مقادیری بالاتر از دمای محیطی که در واقع اندازه گیری می شود افزایش دهد.. کاهش جریان تحریک می تواند اثر خود گرمایی را کاهش دهد. همچنین شایان ذکر است که اثر خودگرمایی بستگی به محیطی دارد که RTD در آن غوطه ور شده است.. به عنوان مثال, یک RTD قرار داده شده در هوای ساکن ممکن است اثرات خود گرمایشی مهم تری نسبت به RTD غوطه ور در آب جاری داشته باشد..

برای تغییر دمای قابل تشخیص داده شده, تغییر در ولتاژ RTD باید به اندازه کافی بزرگ باشد تا بر نویز سیستم و همچنین جابجایی و رانش پارامترهای مختلف سیستم غلبه کند.. از آنجایی که خود گرمایش جریان تحریک را محدود می کند, ما باید از یک RTD با مقاومت کافی بزرگ استفاده کنیم, بنابراین یک ولتاژ بزرگ برای بلوک پردازش سیگنال پایین دست تولید می کند. در حالی که یک مقاومت RTD بزرگ برای کاهش خطاهای اندازه گیری مطلوب است, ما نمی توانیم خودسرانه مقاومت را افزایش دهیم زیرا مقاومت RTD بزرگتر منجر به زمان پاسخ کندتر می شود.

فلزات RTD: تفاوت بین پلاتین, طلا, و مس RTD

در تئوری, برای ساختن RTD می توان از هر نوع فلزی استفاده کرد. اولین RTD اختراع شده توسط CW Siemens در 1860 از سیم مسی استفاده کرد. هر چند, زیمنس به زودی کشف کرد که RTD های پلاتین نتایج دقیق تری را در محدوده دمایی وسیع تری تولید می کنند.

امروز, RTD های پلاتینیوم پرکاربردترین سنسورهای دما برای اندازه گیری دقیق دما هستند. پلاتین یک رابطه خطی مقاومت و دما دارد و در یک محدوده دمایی زیاد به شدت تکرار می شود. علاوه بر این, پلاتین با بیشتر گازهای آلاینده موجود در هوا واکنش نمی دهد.

علاوه بر پلاتین, دو ماده متداول دیگر RTD نیکل و مس هستند. جدول 1 ضرایب دما و رسانایی نسبی برخی از فلزات رایج RTD را فراهم می کند.

سنسور مقاومت حرارتی پلاتین با دمای بالا Pt100 ضد انفجار

WZP-130 231 سنسور دما PT100 با مقاومت پلاتین فولاد ضد زنگ

سنسور دمای مقاومت حرارتی pt100 برای یاتاقان

جدول 1. ضرایب دما و هدایت نسبی فلزات معمولی RTD. داده های ارائه شده توسط BAPI

در بخش قبل, ما بحث کردیم که چگونه مقاومت RTD بزرگتر می تواند خطاهای اندازه گیری را کاهش دهد. مس رسانایی بالاتری دارد (یا معادل آن, مقاومت کمتر) نسبت به پلاتین و نیکل. برای اندازه سنسور معین و جریان تحریک, یک RTD مسی می تواند ولتاژ نسبتا کمی تولید کند. از این رو, RTD های مسی می توانند برای اندازه گیری تغییرات کوچک دما چالش برانگیزتر باشند. علاوه بر این, مس در دماهای بالاتر اکسید می شود, بنابراین محدوده اندازه گیری نیز محدود به -200 به +260 درجه سانتیگراد. با وجود این محدودیت ها, مس به دلیل خطی بودن و هزینه کم هنوز در برخی کاربردها استفاده می شود. همانطور که در شکل نشان داده شده است 2 زیر, از سه فلز رایج RTD, مس خطی ترین مشخصه مقاومت-دما را دارد.

مقاومت در برابر. ویژگی های دمایی نیکل, مس, و Platinum RTDs.jpeg

رقم 2. مقاومت در برابر. ویژگی های دمایی نیکل, مس, و RTD های پلاتین. تصویر از TE Connectivity

طلا و نقره نیز مقاومت نسبتا کمی دارند و به ندرت به عنوان عناصر RTD استفاده می شوند. نیکل رسانایی نزدیک به پلاتین دارد. همانطور که در شکل مشاهده می شود 2, نیکل یک تغییر در مقاومت را برای یک تغییر معین در دما ارائه می دهد.

هر چند, نیکل محدوده دمایی پایین تری را ارائه می دهد, غیر خطی بودن بیشتر, و رانش طولانی مدت بیشتر از پلاتین. علاوه بر این, مقاومت نیکل از دسته ای به دسته دیگر متفاوت است. به دلیل این محدودیت ها, نیکل عمدتاً در کاربردهای کم هزینه مانند محصولات مصرفی استفاده می شود.

RTD های پلاتینی معمولی Pt100 و Pt1000 هستند. این نام ها نوع فلز مورد استفاده در ساخت سنسور را توصیف می کنند (پلاتین یا پلاتین) و مقاومت اسمی در 0 درجه سانتیگراد, که هست 100 Ω برای Pt100 و 1000 Ω برای انواع Pt100 و Pt1000, به ترتیب. انواع Pt100 در گذشته محبوبیت بیشتری داشتند; با این حال, امروزه روند به سمت RTD های مقاومت بالاتر است, زیرا مقاومت بالاتر حساسیت و وضوح بیشتری را با هزینه کم یا بدون هزینه اضافی فراهم می کند. RTD های ساخته شده از مس و نیکل از قراردادهای نامگذاری مشابهی استفاده می کنند. جدول 2 برخی از انواع رایج را فهرست می کند.

جدول 2. انواع RTD, مواد, و محدوده دما. داده های ارائه شده توسط دستگاه های آنالوگ

علاوه بر نوع فلز مورد استفاده, ساختار مکانیکی RTD نیز بر عملکرد سنسور تأثیر می گذارد. RTD ها را می توان به دو نوع اساسی تقسیم کرد: لایه نازک و سیم پیچ. این دو نوع در بخش های بعدی مورد بحث قرار خواهند گرفت.

فیلم نازک در مقابل. RTD های سیمی

برای ادامه بحث ما در مورد RTD, بیایید دو نوع را بررسی کنیم: لایه نازک و سیم پیچ.

مبانی فیلم نازک RTD

لایه نازک RTD Display Structure.jpeg

ساختار نوع لایه نازک در شکل نشان داده شده است 3(بوها).

رقم 3. نمونه هایی از RTD های لایه نازک, کجا (بوها) ساختار و (شرح) انواع مختلف کلی را نشان می دهد. تصویر (اصلاح شده است) با حسن نیت از Evosensors

در یک فیلم نازک RTD, یک لایه نازک از پلاتین روی یک بستر سرامیکی قرار می گیرد. به دنبال آن بازپخت و تثبیت در دمای بسیار بالا انجام می شود, و یک لایه شیشه ای محافظ نازک که کل عنصر را می پوشاند. ناحیه پیرایش نشان داده شده در شکل 3(بوها) برای تنظیم مقاومت تولیدی به یک مقدار هدف مشخص استفاده می شود.

RTD های لایه نازک بر فناوری نسبتاً جدیدی متکی هستند که زمان مونتاژ و هزینه های تولید را به میزان قابل توجهی کاهش می دهد. در مقایسه با نوع سیمی, که در بخش بعدی به بررسی عمیق آن خواهیم پرداخت, RTD های لایه نازک در برابر آسیب های ناشی از ضربه یا لرزش مقاوم تر هستند. علاوه بر این, RTD های لایه نازک می توانند مقاومت های بزرگی را در یک منطقه نسبتا کوچک تحمل کنند. به عنوان مثال, بوها 1.6 میلی متر توسط 2.6 حسگر میلی‌متری فضای کافی برای تولید مقاومت را فراهم می‌کند 1000 اوه. به دلیل اندازه کوچک آنها, RTD های لایه نازک می توانند به سرعت به تغییرات دما پاسخ دهند. این دستگاه ها برای بسیاری از کاربردهای عمومی مناسب هستند. از معایب این نوع می توان به پایداری نسبتاً ضعیف درازمدت و محدوده دمایی باریک اشاره کرد.

RTD های سیمی

ساخت یک RTD Wirewound

رقم 4. مروری بر ساخت یک RTD پایه سیمی. تصویر از PR Electronics

این نوع RTD با پیچاندن طول پلاتین به دور یک هسته سرامیکی یا شیشه ای ساخته می شود. کل عنصر معمولاً برای اهداف حفاظتی درون یک لوله سرامیکی یا شیشه ای محصور می شود. RTD ها با هسته های سرامیکی برای اندازه گیری دمای بسیار بالا مناسب هستند. RTD های سیمی معمولاً دقیق تر از انواع لایه نازک هستند. هر چند, آنها گران تر هستند و به راحتی توسط ارتعاش آسیب می بینند.

برای به حداقل رساندن هرگونه فشار روی سیم پلاتین, ضریب انبساط حرارتی مواد مورد استفاده در ساخت سنسور باید با پلاتین مطابقت داشته باشد. ضرایب انبساط حرارتی یکسان تغییرات مقاومت ناشی از تنش طولانی مدت در عنصر RTD را به حداقل می رساند., بنابراین تکرارپذیری و ثبات سنسور بهبود می یابد.

RTD در مقابل. خواص ترموکوپل

برای پایان دادن به این گفتگو در مورد سنسورهای دمای RTD, در اینجا مقایسه مختصری بین سنسورهای RTD و ترموکوپل وجود دارد.

ترموکوپل ولتاژی تولید می کند که متناسب با اختلاف دمای بین دو محل اتصال آن است.. ترموکوپل ها خود تغذیه می شوند و نیازی به تحریک خارجی ندارند, در حالی که اندازه گیری دمای مبتنی بر RTD به جریان یا ولتاژ تحریک نیاز دارد. خروجی ترموکوپل تفاوت دما بین اتصالات سرد و گرم را مشخص می کند, بنابراین جبران اتصال سرد در کاربردهای ترموکوپل مورد نیاز است. از طرفی دیگر, جبران اتصال سرد برای برنامه های RTD مورد نیاز نیست, منجر به یک سیستم اندازه گیری ساده تر می شود.

معمولاً از ترموکوپل ها در -184 درجه سانتی گراد تا 2300 محدوده درجه سانتی گراد, در حالی که RTD ها می توانند از -200 درجه سانتی گراد تا +850 درجه سانتیگراد. اگرچه RTD ها عموماً دقیق تر از ترموکوپل ها هستند, آنها تقریباً دو تا سه برابر گرانتر از ترموکوپل هستند. تفاوت دیگر این است که RTD ها خطی تر از ترموکوپل ها هستند و پایداری بلندمدت بالایی از خود نشان می دهند.. با ترموکوپل, تغییرات شیمیایی در مواد حسگر می‌تواند پایداری طولانی‌مدت را کاهش داده و باعث شود که خواندن حسگر تغییر کند.