سنسور rtd pt100

سنسور PT100 رایج ترین و پر کاربردترین سنسور RTD در صنعت است. حروف PT در ابتدای نام این سنسور مخفف Platinum یا همان پلاتین می باشد. عبارت 100 نیز به معنی مقاومت 100 اهم در دمای 0 درجه سلسیوس در این سنسور است. به این ترتیب سنسور PT1000 از جنس پلاتین بوده و مقاومت آن در دمای 0 درجه برابر با 1000 اهم خواهد بود. سنسور های PT100 و PT1000 در محدوده ی تلرانس مشابهی در دسترس هستند. این سنسور ها بسته به خلوص پلاتین مورد استفاده در حسگر، می توانند دارای ضریب دمایی مشابه نیز باشند. قابل ذکر است که هنگام مقایسه ی مقاومت PT100 و PT1000 در یک دما، مقاومت خوانده شده در PT1000 ده برابر بیشتر از مقاومت PT100 در همان دما خواهد بود. در تصویر زیر یک سنسور RTD PT100 سه سیمه را مشاهده می کنید.

تصویر زیر مربوط به یک نمونه دیگر از سنسور PT100 می باشد.

نمودار یا منحنی زیر نحوه ی تغییر مقاومت سنسور pt100 نسبت به تغییر دما رانشان می دهد.

به صورت کلی RTD ها به عنوان سنسور های خطی شناخته شده اند؛ اما رابطه ی مقاومت و دما در سنسور PT100 کاملا خطی نیست. به عبارت دیگر این رابطه تا حد زیادی به صورت منحنی است. در تصویر زیر میزان غیر خطی بودن رابطه ی دما و مقاومت در سنسور PT100 را مشاهده می کنید. به منظور درک بهتر این نکته مقاله ی فرمول محاسبات RTD را مطالعه کنید.

جدول زیر دمای متناظر با مقاومت سنسور Pt100 را در چند نقطه نشان می دهد:

دماسنج های مقاومتی پلاتینی یا Platinum resistance thermometers دارای دقت بسیار خوبی در محدوده ی دمای -200 تا 850 °C هستند. در این سنسور ها رابطه ی میان دما و مقاومت در رنج دمایی کوچک، تقریبا خطی است. به صورت کلی معادله ی خطی سازی این سنسور ها به این شکل است:

\[Rt = R0(1 + At + B{t^2} + C\left( {t – 100} \right){t^3})\;\;\;\;\;for\;t \le 0^\circ C\]

ضرایب موجود در فرمول بالا عبارت اند از:

• Rt: مقاومت در دمای t ، در نتیجه R0 همان مقاومت در دمای 0 درجه است.
• A=3.9083 E-3
• B=-5.775 E-7
• C= -4.183 E-12 : برای دمای پایین 0 درجه
• C= 0 : برای دمای بالای 0 درجه
• Rt=Rt(1+At+Bt^2 ) for t≥0°C
• Rt=R0(1+At+Bt^2+C(t-100) t^3 for t≤0°C

در سنسور PT1000 تغییر دما به اندازه ی یک درجه سانتیگراد موجب تغییر 0.384 اهم در مقاومت می شود. در این سنسور خطاهای بسیار کوچک در اندازه گیری مقاومت می تواند موجب خطای بزرگی در اندازه گیری دما شود. به منظور افزایش دقت باید تاثیر مقاومت سیم های رابط یا Lead wire را روی مقاومت حسگر RTD در نظر بگیریم. همانطور که در مقاله قبلی اشاره شد در پروژه های دقیق به منظور حذف تاثیر این سیم ها از سنسور های سه یا چهار سیمه استفاده می شود. عملکرد سنسور های سه سیمه با فرض یکسان بودن مقاومت سیم ها نسبتا دقیق خواهد بود. در مدل های 4 سیمه دو عدد از سیم های Lead wire جهت انتقال جریان حسگر و دو سیم دیگر جهت اندازه گیری ولتاژ حسگر استفاده می شوند.

مقاومت های متغیر با دما با مقدار مقاومت آن ها در دمای 0 درجه سانتی گراد یا همان مقدار نامی مشخص می شوند. به عنوان مثال PT100 به عنوان یکی از رایج ترین سنسور دمای مقاومتی، در دمای 0 درجه مقاومت 100 اهم دارد. انوع دیگر RTD های پلاتینی و مقدار مقاومت آن ها در دمای 0 درجه عبارت اند از:

• PT2000: مقاومت 2000 اهم
• PT1000: مقاومت 1000 اهم
• PT500: مقاومت 500 اهم
• PT20: مقاومت 20 اهم
• PT10: مقاومت 10 اهم

در تصویر زیر رابطه ی میان مقاومت و دما در تیپ های مختلف RTD های پلاتینی را مشاهده می کنید.

مقایسه ی RTD و ترموکوپل

از RTD ها معمولا در اندازه گیری دما در آزمایشگاه ها و فرآیند های صنعتی استفاده می شود. این سنسور ها با ویژگی های دقت بالا، پایداری و تکرار پذیری شناخته می شوند. از جمله مزایای RTD ها نسبت به سایر سنسور های دما عبارت اند از:
• دقت بسیار بالا یا Highly accurate
• ثابت بودن یا Consistent
• تکرار پذیری بالا یا High repeatability
• مناسب برای اندازه گیری دقیق حتی در محیط های سخت یا Extreme environments
از معایب این سنسورها می توان به قیمت و زمان پاسخ گویی نسبتا بالا در RTD ها اشاره کرد. به غیر از فرایندهای نیازمند به دمای بالا می توان از این سنسور ها در اغلب فرآیند های صنعتی استفاده کرد. RTD های ساخته شده از پلاتین از جمله سنسور PT100 بسیار پایدار بوده و تحت تاثیر خوردگی یا اکسیداسیون قرار نمی گیرند. سنسور PT100 مانند سایر RTD ها تکرار پذیری نسبتا بالایی دارد. به عبارت دیگر RTD های پلاتینی حتی در طی چرخه های مکرر گرمایش و سرمایش نیز می توانند دمای یکسان را با حداقل اختلاف، اندازه گیری کنند. مزایای اصلی RTD نسبت به ترموکوپل عبارت اند از:
• پایداری یا Stability
• دقت یا Precision
• تکرار پذیری یا Repeatability

از سنسور های RTD می توان در زمینه های بسیاری از جمله موارد زیر استفاده کرد:
• فرآوری مواد غذایی
• اجاق گاز و کوره
• تولید پارچه
• پردازش پلاستیک
• فرآوری پتروشیمی
• میکرو الکترونیک
• اندازه گیری دمای هوا، گاز و مایع

از سوی دیگر ترموکوپل ها نقش مهمی در کاربرد های صنعتی دارند. برخی از ویژگی های ترموکوپل عبارت اند از:
• ساده بودن
• اندازه ی کوچک و پاسخ سریع
• قابلیت استفاده در رنج وسیعی از دما
• مقاوم در برابر ضربه و ارتعاش
از ترموکوپل به عنوان دماسنج بیمارستانی استفاده می شود. آن ها هم چنین در وسایل گازی مختلف مانند آبگرمکن، دیگ بخار و اجاق گاز و غیره کاربرد دارند.

به صورت کلی هنگام انتخاب سنسور دما باید به نکات زیر توجه شود:
• رنج دمای مورد نظر: استفاده از یک سنسور RTD PT100 صنعتی در دمای -200 تا 500 درجه سلسیوس ترجیح داده می شود. درصورت نیاز به رنج دمای وسیع از ترموکوپل ها استفاده می گردد.
• زمان پاسخ گویی: اگر فرآیندی نیاز به پاسخ و واکنش سریع نسبت به تغییرات دما دارد؛ استفاده از ترموکوپل ترجیح داده می شود.
• دقت و پایداری مورد نیاز: RTD ها دقت بالاتری داشته و می توانند در طی سال ها پایداری خود را حفظ کنند. این بازه در ترموکوپل ها کمتر است.

سنسور های RTD و ترموکوپل هر دو دارای مزایا و معایب خاص خود بوده و کاربری ویژه ای دارند. از معایب سنسور RTD نسبت به ترموکوپل می توان به قیمت بالاتر و زمان پاسخ گویی بیشتر اشاره کرد. در جدول زیر مقایسه ی دو سنسور RTD و ترموکوپل را مشاهده می کنید:

استاندارد های PT100 RTD

با گذشت زمان استاندارد های متفاوتی در مورد سنسور Pt100 به وجود آمده است. در بیشتر موارد، استاندارد ها تفاوت کمی از نظر ضریب دمایی یا TCR دارند. در مقاله ی قبل به صورت کامل ضریب حرارتی آلفا، TCR یا temperature coefficient of resistance بررسی شد. به صورت کلی دو استاندارد تحت عنوان استاندارد اروپایی و استاندارد آمریکایی برای سنسور های PT100 RTD وجود دارد. استاندارد اروپایی یا European standard با نام های DIN یا IEC نیز شناخته می شوند. IEC به عنوان استاندارد جهانی برای RTD های پلاتینی محسوب می گردد. طبق استاندارد DIN/IEC 60751 یا IEC751 سنسور RTD باید در دمای 0 درجه سانتی گراد مقاومت 100 اهم داشته باشد. از طرفی ضریب مقاومت دمایی آن در بازه 0 تا 100 درجه برابر با 0.00385 O/O/°C اهم در سانتی گراد است. همانطور که در مقالات قبلی اشاره شد، ضریب مقاومت دمایی یا Temperature coefficient of resistance با حروف آلفا یا TCR نمایش داده می شود. جهت مسب اطلاعات بیشتر در این زمینه لطفا مقاله ی فرمول محاسبه ی RTD را مطالعه فرمایید.

کد های رنگی برای کابل های حسگر Platinum resistance thermometers یا PRT در استاندارد IEC751 به صورت زیر تعریف شده اند:

• یک یا دو سیم متصل به یک سر سنسور قرمز هستند.
• یک یا دو سیم در انتهای سر دیگر سنسور، سفید اند.

در جدول زیر تصاویر مربوط به کد های رنگی در سنسور PT100 دو، سه و چهار سیمه آورده شده است:

نوع سنسور PT100	2 سیمه	3 سیمه	4 سیمه
سیم بندی سنسور

Accuracy در RTD

دقت عملی RTD به عوامل مختلفی از جمله تلرانس، دمای اندازه گیری و تاثیرات سیم های رابط Lead wire بستگی دارد. تعدادی از استاندارد های بین المللی وجود دارد که محدوده ی دقت Accuracy و تلرانس RTD ها را تعیین می کند. استاندارد IEC 751 متداول ترین استاندارد جهت درجه بندی RTD های پلاتینی است. این استاندارد برای سنسور PT100 با ضریب حرارتی Alpha=0.00385 دو کلاس عملکردی زیر را تعریف می کند:
• Class A = ±(0.15 + 0.002*t)°C or 100.00 ±0.06 O at 0ºC
• Class B = ±(0.3 + 0.005*t)°C or 100.00 ±0.12 O at 0ºC
در کلاس A مقاومت سنسور در دمای 0 درجه برابر با 100.00 ±0.06 اهم است. به عبارت دیگر طبق استاندارد IEC751 میزان تلرانس مقاومت PT100 در دمای 0 درجه برابر با ±0.06% خواهد بود. انحراف دمایی یا TEMPERATURE DEVIATION در این سنسور نیز برابر با ±(0.15 + 0.002*t)°C می باشد. به منظور درک بهتر تفاوت میان کلاس های A و B به جدول زیر توجه کنید. حرف T در این جدول به مقدار دمای مطلق اشاره می کند.

در نگاه کلی استاندارد های دیگری مانند DIN 43760، BS-1904، BS EN60751 و JIS C1604 با استاندارد IEC 751 مطابقت دارند. طبق جدول زیر در استاندارد DIN 43760 سه کلاس انحراف دمای مختلف A و B و C وجود دارد:

چگونگی انتقال یک سیگنال RTD به دو دستگاه مختلف

در برخی موارد نیاز است سیگنال دمای اندازه گیری شده به دو نقطه ی متفاوت ارسال شود. به عنوان مثال تصور کنید سیگنال دما باید به صورت همزمان به یک کنترل کننده و یک رکوردر دما ارسال شود. در این شرایط چگونه می توان یک سیگنال RTD را به دو سیگنال یکسان تبدیل کرد؟

در نظر داشته باشید که نمی توان یک RTD را به صورت پارالل یا سری به تجهیز دوم متصل کرد. هر ورودی RTD یک جریان محرک رگوله شده را به RTD اعمال می کند. ترکیب کردن ورودی های RTD سبب ترکیب جریان ها شده و این امر اصلا توصیه نمی شود. به صورت کلی دو روش متفاوت جهت دوبل کردن سیگنال RTD وجود دارد:
1) Dual element RTD
جهت انتقال یک سیگنال RTD به دو دستگاه مختلف می توان از یک سنسور RTD با المنت دوتایی استفاده کرد. به این منظور ابتدا باید سنسور RTD تک المنتی نصب شده در فیلد را با یک سنسور دمای dual element تعویض کنیم. در ادامه می توان المنت 1 را به اولین تجهیز و المنت دوم RTD را به تجهیز دوم متصل کرد. پیشنهاد می شود که جهت سیم بندی یا وایرینگ، از سیم مسی استفاده کنید. در نظر داشته باشید که هر المنت RTD به ورودی مخصوص خود نیاز دارد.

2) Temperature transmitter
می توان خروجی جریانی یک ترانسمیتر دما را به صورت سری به دو تجهیز مختلف متصل نمود. در این حالت سه دستگاه یعنی ترانسمیتر، دستگاه اول و دستگاه دوم در مسیر جریان قرار می گیرند. در این روش ممکن است مشکلاتی مانند ایجاد لوپ های جریانی یا ground loops ایجاد شود. این حالت معمولا در PLC های دارای ورودی های ایزوله شده High-end جواب می دهد. در صورت استفاده از یک ورودی ایزوله نشده Low-end ممکن است لوپ های زمین ایجاد شود. ممکن است استفاده از این مدل در سیستم اتوماسیون با یک PLC از نوع ورودی low-end امکان پذیر نباشد. در تصویر زیر یک temperature transmitter SITRANS TH200 را مشاهده می کنید.

اگر ترانسمیتر در مدل سری دچار مشکل شود، هیچ کدام از دستگاه ها مقدار ورودی را دریافت نخواهند کرد. به عبارت دیگر با استفاده از این روش نمی توان به فکر ایجاد یک ورودی ریداندانت برای سیگنال سنسور های RTD بود. این نکته یکی از معایب روش سری به حساب می آید.