سنسور دما RTD چیست؟

RTD مخفف عبارت Resistance Temperature Detector بوده و یکی از انواع سنسور های دما است. سیگنال خروجی RTD ها به صورت یک سیگنال مقاومتی می باشد. مقاومت این سنسور ها حساس به دما بوده و در اثر حرارت تغییر می کند. به بیان دیگر با تغییر دما در سنسور RTD، مقاومت آن تغییر خواهد کرد. این تغییرات به صورت هم جهت بوده و در صورت افزایش دما مقاومت سنسور نیز افزایش می یابد. رابطه ی مقاومت در برابر دما به خوبی شناخته شده و با گذشت زمان قابل تکرار است. RTD نیز مانند ترموکوپل یک سنسور پسیو یا Passive device است. در تصویر زیر یک سنسور RTD از نوع PT100 تحت عنوان WZP-231 را مشاهده می کنید.

طرز کار سنسور RTD

در سنسور های RTD با افزایش دمای فلز، مقاومت آن در برابر جریان الکتریسیته افزایش می یابد. همانطور که اشاره شد RTD یک سنسور دمای Passive است. در نتیجه هنگام استفاده از آن باید یک جریان تحریک یا Excitation current به آن متصل شده و سپس ولتاژ پایانه های آن را اندازه گرفت. در ادامه و با استفاده از یک الگوریتم ساده می توان مقدار اندازه گیری شده را به دما تبدیل کرد. به صورت کلی فرآیند اندازه گیری دما در RTD به ترتیب زیر است:

• در سنسور RTD جریان الکتریکی از حسگر عبور می کند. جریان ارسالی به RTD می تواند از سمت سیستم کنترلی Control system یا ترنسمیتر ها باشد.
• با افزایش دمای حسگر یا عنصر مقاومتی، مقاومت الکتریکی در RTD افزایش می یابد. با اندازه گیری مقاومت الکتریکی می توان مقدار دمای متناظر با آن را محاسبه کرد.

یکی از روش های اندازه گیری مقاومت، استفاده از پل وتسون است. در مقاله ی بعدی به بررسی این روش و رابطه ی میان مقاومت و دما در RTD ها اشاره شده است. قابل ذکر است که با تغییر دما، مقاومت سنسور RTD در برابر جریان تغییر می کند. سنسور RTD این تغییرات را تشخیص داده و در نتیجه آن را به سیستم کنترل یا ترنسمیتر ارسال خواهد کرد. زمان پاسخ این سنسور ها معمولا بین 0.5 تا 5 ثانیه بوده و به همین دلیل RTD ها برای فرآیند های سریع، مناسب نیستند.
در سنسور های مقاومتی، عبور جریان از مدار موجب بروز خطای Self-heating می شود. رخ دادن این پدیده در RTD ها، اتلاف توان و خود گرمایی را به وجود می آورد. عوامل موثر و تعیین کننده ی این خطا عبارت اند از:
• جرم سنسور یا Sensors mass
• جریان اندازه گیری یا Measurement current
• ساختار داخلی سنسور
• شرایط محیطی

سنسور های مقاومتی RTD انواع مختلفی دارند. آن ها از نظر پیکربندی در انواع Thin-film، wire-wound و coiled elements ساخته می شوند. این سنسورها از نظر سیم بندی دارای مدل های دو، سه و چهار سیمه هستند. سنسور RTD از نظر جنس حسگر مقاومتی نیز به گروه های متفاوتی تقسیم می شود. این موارد در ادامه بیشتر بررسی شده است.

انواع سنسور RTD از نظر جنس حسگر

سیم مقاومتی یا همان حسگر های RTD معمولا یک ماده ی خالص از جنس پلاتین platinum، نیکل nickel یا مس copper است. متداول ترین RTD ها از جنس پلاتین هستند. برخی از مزایای پلاتین عبارت است از:
• پایداری به عنوان یک ماده با گذشت زمان
• رنج و دامنه ی وسیع دمایی
• رابطه ی تقریبا خطی میان دما و مقاومت در این نوع سنسور ها
• عدم تاثیر عوامل شیمیایی در پلاتین یا خاصیت Chemical inertness

مواد سازنده سیم های رابط یا Lead wire در RTD یا Wire material

جهت اتصال سنسور مقاومتی به ابزار اندازه گیری از سیم رابط یا سیم های سربی Lead wire استفاده می شود. به عبارت دیگر سیم های رابط، میان عنصر مقاومت سنسور و ابزار اندازه گیری قرار می گیرند. سیم های رابط متصل شده به حسگر RTD نیز دارای مقاومت هستند. این امر روی مقاومت حسگر RTD و در نتیجه روی دمای اندازه گیری شده تاثیر گذار خواهد بود. به منظور دست یابی به دقت بالاتر و رفع خطای ایجاد شده از RTD های 3 و 4 سیمه استفاده می شود. پیش از بررسی این سنسور ها، برخی از سیم های Lead wire مورد استفاده در RTD ها را معرفی می کنیم.
هنگام تعیین مواد تشکیل دهنده ی سیم RTD باید به دما و محیط نصب دقت کنیم. به بیان دیگر یکی از عوامل مهم در انتخاب Lead wire درجه حرارت محیط مورد نظر است. از دیگر نکات مهم در انتخاب این سیم ها خواص فیزیکی از جمله مقاومت در برابر سایش و ویژگی غوطه وری در آب می باشد. به صورت کلی سه نوع سیم های رایج عبارت اند از:
1) پروب ها یا میله های مجهز به عایق PVC: این پروب ها رنج دمایی منفی 40 تا 105°C همراه با مقاومت مناسب در برابر سایش دارند. ویژگی دیگر آن ها قابلیت غوطه وری در آب و کار در این شرایط است. در تصویر زیر نمونه ایی از کابل RTD با عایق HR PVC نمایش داده شده است.

2) پروب ها یا میله های PT100 با عایق PFA : این مدل محدوده دمایی منفی 267 تا 260 °C و مقاومت عالی در برابر سایش دارند. پروب یا میله های PT100 برای غوطه وری در آب بسیار مناسب هستند. در تصویر زیر نمونه ایی از کابل RTD با عایق PFA آورده شده است.

3) پروب های PT100 با عایق فایبرگلاس: این مدل دارای محدوده دمایی بالاتر یعنی از منفی 73 تا 482 درجه می باشد. عملکرد این سری از پروب ها در شرایط سایش یا غوطه وری در آب مناسب نیست. در تصویر زیر نمونه ایی از کابل RTD از نوع Fiberglass Insulated with Stainless Steel Braid را مشاهده می کنید.

انواع سنسور RTD از نظر سیم بندی

همانطور که اشاره شد علاوه بر RTD، سیم های رابط یا Lead wire نیز دارای مقاومت هستند. به منظور رفع تاثیر مقاومت سیم های رابط، سنسور RTD در انواع دو، سه یا چهار سیمه تولید می شود. خطای ناشی از مقاومت Lead wire ها در سنسور های RTD سه و چهار سیمه بهبود می یابد. در نظر داشته باشید که مشکل مقاومت سیم های رابط در نوع دو سیمه جبران نمی شود. از مدل دو سیمه تنها به منظور رسیدن به دمای تقریبی استفاده شده و معمولا سنسور های RTD سه سیمه رایج تر هستند. در ادامه انواع سنسور RTD دو، سه و چهار سیمه را بررسی می کنیم.

سنسور RTD دو سیمه

همانطور که اشاره شد سنسور RTD از طریق سیم های رابط به ترنسمیتر یا کنترلر ها متصل می شود. lead wire ها نیز دارای مقاومت بوده و در سنسور های دو سیمه این مقاومت جبران نمی شود. به عبارت دیگر مقاومت سیم های رابط به مقاومت سنسور RTD اضافه خواهد شد. با افزایش مقاومت اندازه گیری شده، دمای اندازه گیری شده نیز بیشتر از دمای واقعی به نظر می رسد. تاثیر مقاومت سیم های رابط یا Lead wire با افزایش طول سیم، افزایش پیدا می کند. تصویر زیر شماتیک یک سنسور RTD دو سیمه را نشان می دهد.

شما واقعی یک سنسور PT100 دو سیمه با نام WZP PT100 به این شکل است:

سنسور RTD سه سیمه

در سنسور RTD سه سیمه از سیم سوم به منظور اندازه گیری مقاومت سیم رابط و حذف آن از مدار الکتریکی استفاده می شود. استفاده از سنسور RTD سه سیمه در کاربرد های صنعتی رایج تر از دو نوع دیگر است. این نوع RTD به اندازه ی کافی میزان مقاومت سیم های Lead wire را جبران می کند. در تصویر شمای مداری یک سنسور RTD سه سیمه را مشاهده می کنید.

تصویر واقعی سنسور RTD سه سیمه PT100 به این شکل است:

سنسور RTD چهار سیمه

در مدل چهار سیمه مقاومت مربوط به سیم های رابط یا lead wire از مقاومتی سنسور RTD جدا می شود. از سنسورهای RTD چهار سیمه در اندازه گیری های بسیار دقیق استفاده می شود. در تصویر زیر حالت مداری RTD چهار سیمه آورده شده است.

یک سنسور RTD چهار سیمه از نوع PT100 به این شکل است:

انواع سنسور RTD از نظر ساختمان

RTD ها معمولا با پیچیده شدن سیم مقاومت به دور یک هسته ی سرامیکی یا شیشه ایی ساخته می شوند. به صورت کلی سه دسته ی اصلی سنسور های RTD عبارت از Thin-film، Wire-wound و Coiled element هستند.

لایه نازک یا Thin-film

این سنسور از قرار دادن یک لایه بسیار نازک از مواد مقاومتی روی یک بستر سرامیکی تشکیل شده و ضخامت آن معمولا 1 تا 10 نانومتر است. به منظور محافظت از thin-film ها از یک پوشش شیشه ایی یا epoxy استفاده می شود. از معایب این نوع RTD می توان به پایداری کمتر آن ها نسبت به مدل های wire-wound یا coiled counterpart اشاره کرد. سنسور های RTD لایه نازک معمولا از جنس پلاتین هستند. بخش های 1 تا 6 تصویر زیر عبارت اند از :
1) محافظت از سیم با روکش شیشه ایی
2) سیم های اتصال یا Connection wire
3) پد های اتصال یا Connection pads
4) پوشش شیشه ای یا Glass layer coating
5) لایه ی نازک پلاتینی یا Platinum thin-film layer
6) سرامیک

در تصویر زیر شماتیک یک سنسور RTD لایه نازک را مشاهده می کنید.

سیم پیچ یا Wire-wound

این نوع سنسور ها می توانند دارای دقت بیشتری به خصوص برای رنج وسیع دما باشند. به منظور ساخت این RTD ها یک سیم مقاومتی RTD به دور شاخه یا هسته ی عایق پیچیده می شود. هسته ی سیم پیچ دارای انواع مسطح یا گرد است. قابل ذکر است که این هسته باید عایق الکتریکی یا electrical insulator باشد. جنس این هسته معمولا از سرامیک بوده و انتهای سیم حسگر یا مقاومت به سیم های رابط متصل می شود. معمولا از این سیم ها تحت عنوان ELEMENT LEAD OR WIRE یاد می شود. lead wire ها طوری انتخاب می شوند که با سیم حسگر سازگار باشند. به بیان دیگر از اتصال سیم حسگر به lead wire نیروی محرکه ی الکتریکی یا emf ایجاد نشده و در نتیجه اختلالی در اندازه گیری حرارتی نخواهیم داشت. در نهایت طبق تصویر زیر از یک پوشش سرامیکی یا شیشه ایی به منظور حفاظت سیم ها استفاده می شود.

در تصویر زیر یک سنسور RTD از جنس پلاتین و نوع Glass wire wound نمایش داده شده است.

المنت های کویل شده یا Coiled elements

این مدل سنسور RTD در صنعت تا حد زیادی جایگزین مدل wire-wound شده است. به منظور ساخت Coiled element ها از سیم های مقاومت کویل شده استفاده می شود. این سیم ها پس از کویل شدن در یک قالب سرامیکی قرار خواهند گرفت. در نظر داشته باشید که منظور از کویل شدن همان پیچده شدن سیم ها است.

در نهایت محفظه های خالی سنسور با پودر عایق پر می شود. سیم مقاومت دار در این مدل بعلت تغییر دما به صورت آزادانه منبسط و منقض شده و خطای ناشی از فشار مکانیکی یا mechanical strain را به حداقل می رسانند. استفاده از پودر عایق موجب افزایش انتقال حرارت به سیم پیچ ها شده و زمان پاسخ دهی بهبود پیدا می کند. در تصویر زیر اجزای مختلف این سنسور ها نمایش داده شده است.