ردیاب مقاومتی دما | RTD

ردیاب مقاومتی دما که به اختصار RTD (Resistance Temperature Detector)  می گویند شامل عناصر:

1. Pt100
2. Pt1000 (PRT)

در اینجا قصد دارم به تشریح گروه محصول با عنوان آشکار ساز های مقاومتی دما یا ردیاب مقاومتی دما بپردازم و امیدوارم این بخش را ب عنوان مرجع فنی سنسور RTD، باشد چرا که همه جنبه‌های RTD را از تئوری پایه و انتخاب محصول گرفته تا دقت و میزان مقاومت و همچنین نمودارهای مرجع خروجی ، پوشش می‌دهد.

چرا اندازه گیری دما مهم است؟

دما اغلب یک عامل حیاتی در تولید است و یکی از متغیرهای اندازه گیری شده در فرآیندهای صنعتی است. برای احتراق، خشک کردن، تبرید، کلسینه کردن، عملیات حرارتی، کالیبراسیون، آزمایش مواد و اکستروژن در میان سایر صنایع از جمله نفت و گاز، برق، پالایش، پتروشیمی، دارویی، تولید مواد غذایی و غیره استفاده می شود. حتی یک خطای کوچک اندازه گیری می تواند در برخی فرآیندها مخرب و اغلب بسیار پرهزینه باشد. علاوه بر این، نگه داشتن یک فرآیند در دمای بهینه می تواند منجر به سودآوری بیشتر شود. ردیاب مقاومتی دما (RTD) از دقیق ترین سنسورهای دمای موجود در نظر گرفته می شوند. آنها علاوه بر ارائه دقت بسیار خوب، پایداری، تکرارپذیری عالی و ایمنی بالایی در برابر نویزهای الکتریکی دارند. این بدان معناست که سنسورهای RTD برای کاربردها در محیط های اتوماسیون فرآیند و صنعتی، به ویژه در اطراف موتورها، ژنراتورها و سایر تجهیزات ولتاژ بالا مناسب هستند. همانطور که در ادامه خواهیم دید، هنگام انتخاب آشکارسازهای دمای مقاومتی برای یک پروژه ی فعالیت خود ، موارد زیادی باید در نظر گرفته شود.

تئوری پایه

ردیاب مقاومتی دما چیست؟

یک ردیاب مقاومتی دما (RTD) یک سنسور دما است که حاوی یک مقاومت است، مقاومت با دما تغییر می کند. سپس این می تواند برای ارائه یک خواندن دما مرتبط شود. ردیاب مقاومتی دما معمولاً با استفاده از پلاتین (Pt) ساخته می شوند، زیرا از یک رابطه مقاومت و دما بسیار خطی به روشی قابل تکرار در یک محدوده دمایی بزرگ پیروی می کنند. آنها همچنین به عنوان دماسنج مقاومتی پلاتینیوم (PRT) شناخته می شوند. سنسورهای PRT می‌توانند لایه‌ای صاف برای کاربردهای دمای پایین یا سیم پیچی برای کاربردهای دمای بالاتر باشند.

مقایسه PT1000 و Pt100

سنسور RTD Pt100 ، رایج ترین نوع سنسور دما از خانواده ی سنسور های RTD یا مقاومتی محسوب می گردد و دارای مقاومت 100 اهم در دمای 0 درجه سانتیگراد است در حالی که سنسور Pt1000 دارای مقاومت 1000 اهم در دمای 0 درجه سانتیگراد است. از آنجایی که Pt1000 ها وضوح بالاتری دارند، دقیق تر در نظر گرفته می شوند، به این دلیل است که حساسیت یا عدم قطعیت در حسگرهای پایه 2 سیم کاهش می یابد، اما این عدم قطعیت را می توان با استفاده از سنسورهای RTD 3 یا 4 سیم کاهش داد (به مدارهای RTD زیر مراجعه کنید). 

ردیاب های غشایی مسطح

آشکارسازهای غشایی مسطح با قرار دادن یک لایه ظریف سیم پلاتین بر روی یک بستر سرامیکی ساخته می شوند. سپس این عنصر با اپوکسی یا شیشه پوشانده می شود که محافظت می کند. آنها جایگزین ارزان تری برای آشکارسازهای زخم سیم هستند و زمان پاسخگویی سریعی دارند، با این حال پایداری کمتری دارند و محدوده دمایی پایین تری نسبت به همتایان سیمی خود دارند.

ردیاب مقاومتی ضخیم

ردیاب‌های زخم سیم از طول سیم پلاتین سیم پیچ ریز تشکیل شده‌اند که دور یک هسته سرامیکی یا شیشه‌ای پیچیده شده است. آنها نسبتا شکننده هستند و اغلب با یک غلاف برای محافظت عرضه می شوند. آنها در محدوده دمایی وسیع تری نسبت به آشکارسازهای فیلم تخت، دقت بیشتری دارند، با این حال گران تر هستند

مدارهای RTD

حسگر RTD از چیزی بیش از یک عنصر تشکیل شده است. این عنصر تنها بخشی از یک مدار است که از حداقل دو یا حداکثر چهار سیم سرب، با هر تعداد اتصال دهنده و لوازم جانبی تشکیل شده است. پیکربندی مدار می تواند به عوامل مختلفی بستگی داشته باشد. شامل:

1. فاصله بین ناحیه حسگر و ابزار دقیق
2. دما در محیط حسگر در طول سنسور صنعتی
3. اولویت های اتصال
4. پیکربندی سیم کشی فعلی به عنوان مثال. سنسور 4 سیم با پیکربندی 3 سیم سازگار نخواهد بود

RTD های دو سیمه

RTDهای دو سیمه در بین سه نوع مدار کمترین دقت را دارند زیرا هیچ راهی برای محاسبه یا حذف مقاومت سیم سربی بین آشکارساز و قرائت وجود ندارد. این امر باعث ایجاد عدم قطعیت در خواندن می شود، بنابراین این سنسورها اغلب فقط با سیم های سربی کوتاه استفاده می شوند که دقت آن اهمیت زیادی ندارد. Pt1000 های 2 سیمی را می توان برای کاهش حساسیت و عدم قطعیت استفاده کرد، اما هنوز خوانش دقیق واقعی را ارائه نمی دهد.

RTD های سه سیمه

سنسورهای RTD 3 سیم رایج ترین سنسورهای RTD هستند. با فرض یکسان بودن هر سه سیم سرب، سیم سیم سوم میانگین مقاومت سیم سربی را در سراسر مدار محاسبه می کند و آن را از اندازه گیری سنسور حذف می کند. این امر باعث می‌شود RTDهای 3 سیمه دقیق‌تر از نمونه‌های دو سیمه خود باشند، اما دقت کمتری نسبت به پیکربندی‌های 4 سیمی دارند، اما در مدارهایی با سیم‌های سربی بلند که فواصل زیادی بین آشکارساز و قرائت وجود دارد، صرفه‌جویی قابل توجهی با استفاده از یک ساخت 3 سیم میسر خواهد بود.

RTD های چهار سیمه

RTD های 4 سیمی در برنامه هایی استفاده می شود که دقت نزدیک در آنها اهمیت دارد. در یک RTD 4 سیم، مقاومت واقعی در هر یک از سیم های سربی را می توان اندازه گیری کرد و از بین برد و مقاومت دقیق آشکارساز را باقی گذاشت. مدار 4 سیم با استفاده از دو سیم اول برای تغذیه مدار کار می کند در حالی که سیم های 3 و 4 مقاومت را در هر سیم سرب می خوانند و هرگونه تفاوت در مقاومت سیم سربی را جبران می کنند.

انواع مختلف RTD کدامند؟

• RTD: سنسورهای استرلینگ سنسورهای RTD پلاتینیوم (همچنین به عنوان سنسورهای PRT شناخته می‌شوند) مطابق با IEC751 تا کلاس A، B، 1/3 DIN، 1/5 DIN و 1/10 DIN تولید می‌کنند. پروب های RTD را می توان در Pt100، Pt500 و Pt1000 تنها به عنوان یک عنصر خالی، ساخت و ساز ساخته شده و تا یک مجموعه پیچیده تر عایق معدنی با عناصر تک یا دوبلکس عرضه کرد. نیاز شما هر چه باشد، سنسور استرلینگ قادر خواهد بود محصولی را برای برنامه شما ارائه دهد.
• سیم RTD: ما در انواع و طول های سیم متناسب با نیاز شما موجود است، ما طیف وسیعی از دماسنج های مقاومت سیم لخت را در Pt100 و Pt1000 برای کاربردهای اندازه گیری دما مانند آزمایش و اندازه گیری، نقشه برداری دما و کاربردهای OEM تولید می کنیم. اگر به دنبال یک سنسور کم هزینه با هدف عمومی با پاسخ سریع هستید، سنسورهای سیم RTD نقطه شروع ایده آلی هستند.
• RTD های ساخته شده: این محدوده از دماسنج های مقاومتی معمولاً از یک غلاف ساخته شده برای محافظت از عنصر RTD استفاده می کنند. آنها با انتخاب شما از آشکارساز از Pt100 تا Pt1000 و گزینه های دقیق با طیف گسترده ای از پایانه ها، مانند سیم های سربی و شاخه ها در دسترس هستند. RTD های ساخته شده نیز با انواع مختلف مجموعه های سر صنعتی و فرستنده های ناحیه ایمن برای طیف گسترده ای از کاربردها در دسترس هستند.
• RTD های اندازه گیری سطح: چه به اندازه‌گیری سطح موقتی یا دائمی نیاز داشته باشید، ما طیف گسترده‌ای از RTDهای سطحی را برای استفاده در بسیاری از سطوح و برنامه‌ها از جمله تحقیق و توسعه، لوله‌ها و کانال‌ها در دسترس داریم.
• RTD های همه منظوره: دماسنج های مقاومتی هدف کلی ما شامل حسگرهای سرنیزه برای صنعت پلاستیک، پروب های بار برای کاربردهای دارویی و اتوکلاو، و همچنین پروب های مهر و موم روغن برای اندازه گیری دمای بدنه یاتاقان است. حتی گزینه هایی برای اندازه گیری دمای محیط داخلی و خارجی وجود دارد. این محدوده همچنین دارای RTD با پایانه "کانکتور Lemo" است، یک کانکتور جهانی که به طور گسترده در صنعت شناخته شده است، که برای دقت بالا و تبادل بسیار سریع سنسورها طراحی شده است.
• RTD های عایق معدنی: کاوشگرهای RTD عایق‌ شده معدنی قوی هستند و می‌توانند بدون تأثیر بر حسگر به گونه‌ای شکل داده شوند که برای هر کاربرد مناسب باشد. این سنسورها در طول های طولانی و با طیف وسیعی از قطرها موجود هستند. آنها می توانند در دماهای بالاتر نسبت به RTD های ساخته شده استفاده شوند و دقت، تکرارپذیری و پایداری طولانی مدت بهتری نسبت به ترموکوپل های عایق معدنی دارند.

انتخاب ردیاب مقاومتی دما

هنگام انتخاب دماسنج های مقاومتی پلاتینیوم مناسب (همچنین به عنوان RTD، Pt100 rtd و پروب rtd شناخته می شود)، موارد زیادی وجود دارد که باید در نظر گرفته شود. مشتریان اغلب با یک نقاشی، مشخصات، عکس یا فقط ایده ای از آنچه می خواهند به ما مراجعه می کنند و ما معمولاً  ایده را از آنجا می گیریم. با پرسیدن چند سوال، معمولاً می‌توان تشخیص داد که چه سنسور RTD می‌خواهید. با این حال، در بسیاری از موارد مشتریان ما مجبور می شوند اقلامی را با حداقل اطلاعات ارائه شده از یک مشتری یا مهندس شخص ثالث در شرکت های دولتی تهیه کنند. از طرف دیگر، ممکن است به سادگی یک برنامه کاربردی جدید داشته باشید که نیاز به اندازه گیری دما دارد و هرگز این نوع محصول را خریداری نکرده اید. باز هم ما در بخش ابزار دقیق سایت کالا صنعتی ، می توانیم به شما کمک کنیم. در زیر به 7 مرحله ای که باید برای به دست آوردن سنسور RTD مناسب برای برنامه خود در نظر بگیرید، صحبت به میان آورده ام;

• نوع عنصر: آیا نوع عنصر RTD مورد نیاز خود را می شناسید؟ مانند Pt100 یا Pt1000. اگر نه، این اولین چیزی است که باید در نظر بگیرید. هر چیزی که سنسور RTD را به آن وصل می کنید، معمولاً این را تعیین می کند.
• کاربرد: چه چیزی در حال اندازه گیری است؟ آیا کاوشگر rtd مایع، سطح یا گاز را اندازه گیری می کند؟ آیا باید در لوله یا ظرف بنشیند یا بخشی از دستگاه یا دستگاه است؟
• محیط زیست: چه ملاحظاتی باید در نظر گرفته شود؟ به عنوان مثال. آیا باید از نظر شیمیایی مقاوم باشد، دارای رتبه IP، تاییدیه ATEX، استفاده از مواد غذایی، لرزش بالا باشد؟
• مکان: چگونه RTD به برنامه ثابت می شود، مانند؛ دیواری، دستی، بیرونی یا داخلی. آیا برای نگه داشتن آن نیاز به اتصال دارد؟
• محدوده عملیاتی: (به عنوان مثال 0 تا 1000 درجه سانتیگراد) این عامل اصلی محدود کننده هنگام انتخاب سنسورهای RTD است زیرا مواد مورد استفاده در ساخت و ساز را تعیین می کند.
• ملاحظات فیزیکی: طول، قطر و اندازه مورد نیاز چیست؟ آیا نیاز به خم شدن یا بسیار طولانی است؟
• اتصال به برنامه: RTD به چه چیزی متصل است؟ آیا به سر ترمینال، کانکتور، سیم یا فرستنده نیاز دارد؟ همچنین باید بدانید که آیا به پیکربندی 2 سیم، 3 سیم یا 4 سیم نیاز دارید. اگر بتوانید به این سوالات پاسخ دهید، باید بتوانید RTD مورد نظر خود را تعیین کنید. برای کمک به شما، ما یک پرسشنامه آسان برای استفاده داریم که می تواند تکمیل شود و به ما بازگردانده شود، یا می توانید به سادگی با ما تماس بگیرید یا سوالات خود را ایمیل کنید، ما اینجا هستیم تا به شما کمک کنیم.

مزایای سنسورهای RTD با عایق معدنی

• پاسخ سریع: چگالی بالای پودر معدنی باعث انتقال سریع حرارت بین هادی و غلاف می شود.
• بسیار منعطف: کابل عایق معدنی بسیار انعطاف پذیر است و می تواند در زوایا و اشکال شکل بگیرد تا از تناسب کامل در برنامه اطمینان حاصل شود. این همچنین امکان نصب آسان در مکان هایی را که دسترسی به آن دشوار است را فراهم می کند.
• محدوده دمایی گسترده: سنسورهای عایق معدنی یک انتخاب محبوب هستند زیرا محدوده دمایی بسیار وسیعی دارند. مقاوم در برابر آتش است و می تواند در معرض دماهای بسیار بالاتری نسبت به کابل های غلاف مصنوعی قرار گیرد.
• بادوام: ساخت کابل عمر طولانی هادی را تضمین می کند، زیرا به دلیل غلاف و پودر عایق محافظت از آنها می توانند در برابر شرایط محیطی مانند خوردگی مقاومت کنند. ترموکوپل های عایق معدنی را می توان به شکل های پیچیده ای خم کرد. با این حال، حداقل شعاع خمشی وجود دارد که 3 برابر قطر کابل است.

 

تصویر بالا یک کابل MI با قطر 3 میلی متر را در حداقل خمش نشان می دهد. برای محاسبه حداقل شعاع خمیدگی کافی است قطر کابل را در 3 ضرب کنید، بنابراین حداقل شعاع داخلی یک خم برای کابل 3 میلی متری باید 3×3 = 9 میلی متر باشد. برای محاسبه دور (18 میلی‌متر در شکل 1) کافی است شعاع (9 میلی‌متر در شکل 1) را در 2 ضرب کنید.

دما در مقابل مقاومت برای سنسورهای Pt100 (جدول مقاومت Pt100)

جدول زیر می تواند به عنوان یک ابزار مرجع برای یافتن رابطه بین طیف وسیعی از دما و مقاومت برای سنسورهای Pt100 RTD استفاده شود. دماهای مضرب ده را می توان در پایین محور چپ یافت، در حالی که برای خوانش دقیق تر باید در امتداد محور افقی بین یک تا نه حرکت کنید. به عنوان مثال مقاومت Pt100 در دمای 126 درجه سانتیگراد 148.32 اهم است.

دما در مقابل مقاومت برای سنسورهای Pt1000 (جدول مقاومت Pt1000)

جدول زیر می تواند به عنوان یک ابزار مرجع برای یافتن رابطه بین طیف وسیعی از دما و مقاومت برای سنسورهای Pt1000 RTD استفاده شود. دماهای مضرب ده را می توان در پایین محور چپ یافت، در حالی که برای خوانش دقیق تر باید در امتداد محور افقی بین یک تا نه حرکت کنید. به عنوان مثال مقاومت Pt1000 در دمای 126 درجه سانتیگراد 1483.30 اهم است.

دقت RTD

تحمل

IEC 60751:2008 استاندارد بین المللی در نظر گرفته می شود و تلورانس ها را برای عناصر RTD پلاتین مشخص می کند. دو تلورانس رایج برای سنسورهای Pt100 RTD کلاس A و کلاس B هستند، برای تحمل نزدیکتر استانداردهای 1/3 DIN و 1/10 DIN موجود است. هرچه تحمل عنصر بیشتر باشد، دامنه انحراف از منحنی مقاومت در برابر دما گسترده‌تر می‌شود و سطح عدم قطعیت را افزایش می‌دهد، اگرچه به بیان دقیق، این آشکارسازهای DIN 1/10 را دقیق‌تر از آشکارسازهای کلاس B نمی‌کند، اما به طور قابل‌توجهی کاهش می‌دهد. عدم قطعیت خواندن جدول زیر تلورانس آشکارسازهای کلاس A و کلاس B را که توسط DIN 43760 تعریف شده است نشان می دهد، این استانداردها سپس برای یافتن تلورانس آشکارسازهای 1/3 DIN و 1/10 DIN استفاده می شوند.

همانطور که می بینید تحمل آشکارساز کلاس B ده برابر بیشتر از تلورانس آشکارساز 1/10 DIN است به این معنی که عدم قطعیت خواندن در آشکارساز کلاس B ده برابر بیشتر از یک آشکارساز DIN 1/10 است. لازم به ذکر است که تلرانس های تعریف شده در جدول زیر فقط به آشکارسازهای خالی اشاره دارد و طراحی یا ساخت سنسور کامل را در نظر نمی گیرد. در جایی که تفاوت عدم قطعیت را می توان حذف کرد یا به میزان قابل توجهی کاهش داد، یک آشکارساز کلاس B کالیبره شده مقرون به صرفه تر از آشکارساز DIN 1/10 است، برای مثال اگر یک RTD به یک سیستم کنترل فرآیند وارد شود، ویژگی های هر سنسور جداگانه می تواند وارد شود که عدم قطعیت های شناسایی شده را  در کالیبراسیون حذف می کند.

عدم قطعیت

هنگام تلاش برای تعریف دقت RTD سه عدم قطعیت عمده وجود دارد که باید در نظر گرفت:

1. تحمل آشکارساز
2. عدم قطعیت به دلیل ساخت حسگر
3. عدم قطعیت در روش کالیبراسیون

پیش‌بینی دقیق نقاط دو و سه دشوار است زیرا باید ملاحظاتی برای خود گرمایشی و هدایت ساقه در نظر گرفت.

اثر خود گرمایشی

هنگامی که انرژی الکتریکی به یک مقاومت اعمال می شود، انرژی حرارتی تولید می کند که به نوبه خود گرما ایجاد می کند که عدم قطعیت ایجاد می کند، این به عنوان اثر خود گرمایی شناخته می شود. در دماهای بالا تأثیر کمی بر دما و در نتیجه اندازه گیری دما دارد، اما در دماهای پایین یا جایی که اندازه گیری دقیق مورد نیاز است، گرمای تولید شده توسط خود گرمایشی باید در نظر گرفته شود و حذف شود. می توان با کاهش جریان اندازه گیری به آشکارساز، گرمایش خود را کاهش داد.

روز غوطه وری و خطاهای هدایت ساقه

در جایی که حسگرهای RTD فقط تا حدی در یک متغیر اندازه گیری شده غوطه ور می شوند، هدایت ساقه می تواند رخ دهد. به طور معمول حداقل عمق غوطه وری شما نباید کمتر از چهار برابر طول آشکارساز یا اتصال حسگر باشد. اگر عمق غوطه وری کمتر باشد، خطاهای هدایت ساقه رخ می دهد، این اثر انتقال حرارت به درون یا دور از متغیری است که از طریق ساقه یا غلاف اندازه گیری می شود، به عنوان مثال اگر غلاف سنسور در دمای محیط گرمتر از گرمای متغیر اندازه گیری شده باشد. به متغیر ایجاد عدم قطعیت در خواندن منتقل می شود.

اثر هدایت ساقه را می توان با افزایش طول غوطه وری، کاهش ضخامت دیواره غلاف یا تغییر مواد غلاف کاهش داد. خطاهای هدایت ساقه اغلب در شرایط آزمایشگاهی رخ می دهد. با این حال باید توجه داشت که آنها می توانند خطاهای قابل توجهی در سایر صنایع ایجاد کنند. به عنوان یک قاعده کلی، RTD ها باید 4 برابر طول عنصر غوطه ور شوند. (عناصر فیلم مسطح معمولاً 2-3 میلی متر هستند، در حالی که عناصر سیم پیچ تقریباً 15 میلی متر یا بیشتر هستند) اطلاعات بیشتر در مورد عناصر را در اینجا بخوانید.

جریان اندازه گیری

به طور گسترده شناخته شده است که در اکثر کاربردها سنسورهای Pt100 باید دارای جریان اندازه گیری 1 میلی آمپر باشند، با این حال برای کاهش اثرات خودگرمایی در کاربردهای دمای پایین که دقت آن در درجه اول اهمیت است باید از 0.5 میلی آمپر استفاده شود. برخی از برنامه های کاربردی نیاز به جریان اندازه گیری بالاتری دارند و بسیاری از آشکارسازها اغلب در 10 میلی آمپر استفاده می شوند که تأثیر کمی بر عملکرد و عمر مفید دارند.

پایداری طولانی مدت و تکرارپذیری

سنسورهای RTD به دلیل داشتن ثبات و تکرارپذیری عالی مشهور هستند. با این حال، ساخت حسگر، محیط اندازه‌گیری و دمای شدید می‌تواند بر پایداری طولانی‌مدت تأثیر بگذارد. به عنوان یک راهنما، تخمین زده می‌شود که در اکثر برنامه‌ها، یک حسگر RTD نباید بیش از 0.02 ± درجه سانتی‌گراد رانش را در سال تجربه کند، با فرض دمای تا 450 درجه سانتی‌گراد بدون ارتعاش شدید یا بدرفتاری. تکرارپذیری تنها در صورتی باید تحت تأثیر قرار گیرد که شرایط حرارتی مشابهی حاصل نشود یا اگر RTDهای یکسان دارای تغییراتی در ساخت باشند. امیدوارم در پایان شناخت کافی از سنسور مقاومتی دما RTD، پیدا کرده باشید.