RTD مخفف آشکارساز دمای مقاومتی است. RTDها را دماسنج مقاومتی نیز می‌گویند. برای اینکه بدانیم سنسور RTD چیست اول بیایید نگاهی به تعریف صنعتی و علمی آن چیست. انجمن آمریکایی برای آزمون و مواد (ASTM) تعريف زير را براي دماسنج مقاومتی ارائه کرده است:
دماسنج مقاومتی وسیله اندازه‌گیری دما که از المان دماسنج مقاومتی، سیم‌های رابط، پوسته محافظ با یا بدون تجهیزاتی برای ایجاد اتصال، یا سیم رابط و انواع اتصالات، یا هر دو تشکیل می‌شود.
RTD نوعی حسگر دما است که دما را بر اساس اصل تغییر مقاومت مواد با دما اندازه‌گیری می‌کند. در عمل، جریان الکتریکی از میان یک قطعه فلزی (المان RTD یا مقاومت) واقع در نزدیکی سطح مورد نظر برای اندازه‌گیری دما عبور می‌کند. سپس مقدار مقاومت المان RTD توسط دستگاه اندازه‌گیری می‌شود. سپس مقدار مقاومت بر اساس ویژگی‌های مقاومتی المان RTD به دما تبدیل می‌شود.
RTD چطور کار کند؟
RTDها بر اساس رابطه بین فلزات و دما کار می‌کند. وقتی دمای فلز افزایش می‌یابد، مقاومت فلز در برابر جریان الکتریکی نیز افزایش می‌یابد. به همین ترتیب، وقتی دمای المان مقاومتی RTD افزایش می‌یابد، مقاومت الکتریکی (بر حسب اهم (Ω)) نیز افزایش می‌یابد. المان‌های RTD معمولا بر اساس مقاومت‌شان (بر حسب اهم) در دمای صفر درجه سیلیسیوس ( 0ºC ) نام‌گذاری می‌شوند. معروف‌ترین آنها، المان ۱۰۰ اهم است، به این معنی که در دمای صفر درجه باید مقاومت اهم ۱۰۰ از خود نشان دهد.
فلزات تشکیل دهنده سنسور RTD چیست ؟
پلاتین معروف‌ترین فلزی است که به دلیل ویژگی‌های زیر برای ساخت المان‌های RTD استفاده می‌شود: (۱) از نظر شیمیایی خنثی است، (۲) رابطه دما با مقاومت در آن تقریبا خطی است، (۳) ضریب دمای مقاومت آن به اندازه کافی زیاد است تا بتوان تغییرات مقاومت با دما را اندازه‌گیری کرد و (۴) پایدار است (مقاومت دمایی آن با زمان تغییر چندانی نمی‌کند).
سایر فلزاتی که اغلب در ساخت المان‌های مقاومتی در RTDها استفاده می‌شوند عبارتند از نیکل، مس و بالکو[۱].
المان‌های RTD معمولا به یکی از سه حالت زیر ساخته می‌شوند: (۱) رسوب یا چاپ لایه پلاتین یا شیشه فلزی برروی زیرلایه سرامیکی تخت که به المان‌های RTD «لایه نازک» معروف هستند، (۲) پیچیدن سیم فلزی یا پلاتین دور ماسوره شیشه‌ای یا سرامیکی و درزبندی آن با پوششی از شیشه مذاب که به المان‌های RTD «سیم‌پیچی» معروف هستند، و (۳) المان پیچیده‌شده که از قرار دادن سیم‌پیچ کوچکی در داخل حفره عایق سرامیکی و اتصال آن به یک سمت حفره تشکیل می‌شود. از میان این سه المان RTD، المان لایه نازک مقاومت‌تر است و در طول زمان دقت بهتری دارد.
چرا گاهی RTDها را RTDهای ۲، ۳ یا ۴ سیمی می‌نامند؟ و چرا باید به یک RTD سیمی به جای سایر RTDها نیاز خواهد بود؟
طبق یک قاعده كلي، هر چه تعداد سیم‌های RTD بیشتر باشد، دقت آن بیشتر است. RTD كاملا از پلاتین ساخته نمي‌شود. صرفنظر از ساير مسايل، ساخت تمام RTD از پلاتین برای اکثر کاربردها بسیار گران‌قیمت خواهد بود. در نتیجه، فقط المان‌های کوچک RTD از پلاتین ساخته می‌شوند. برای استفاده از مقدار مقاومت المان RTD، باید اين مقاومت به دستگاه اندازه‌گيري منتقل شود. براي اين كار از سیم مسی با روکش عایق برای اتصال المان RTD به دستگاه اندازه‌گیری استفاده می‌شود.
همانند پلاتین، مس نیز مقاومت الکتریکی دارد. مقاومت در امتداد سیم مسی می‌تواند بر مقدار مقاومت اندازه‌گیری‌شده توسط دستگاه متصل به RTD تاثیر بگذارد. در RTDهای دو سیمی وسیله‌ای برای محاسبه مقاومت مربوط به سیم مسی وجود ندارد تا بتوان مقاومت سیم مسی را کاهش داد و مقاومت اندازه‌گیری‌شده را به درستی به دمای المان RTD مرتبط دانست. در نتیجه، RTDهای دوسیمی معمولا برای اندازه‌گیری تقریبی دما استفاده می‌شوند.
RTDهای سه سیمی بیشتر در کاربردهای صنعتی استفاده می‌شوند. این نوع معمولا از مدار اندازه‌گیری پل وتستون برای جبران مقاومت سیم مسی (مطابق شکل زیر) استفاده می‌کنند.
در یک RTD سه سیمی، طول سیم‌های A و B باید یکسان باشد. این طول اهمیت زیادی دارد زیرا هدف از طراحی پل وتستون، ایجاد امپدانس در سیم‌های A و B (این سیم‌ها به عنوان پایه‌های پل وتستون عمل می‌کنند) و حذف سایر امپدانس‌ها است تا در نهایت سیم C به عنوان سیم اصلی اندازه‌گیری بتواند جریان‌های بسیار کوچک (در محدوده میکروآمپر) را از خود عبور دهد.
RTDهای چهار سیمی دقت بیشتری از سه سیمی دارند زیرا می‌توانند مقاومت سیم‌ها را، بدون توجه به طول هر سیم، به طور کامل جبران کنند. به این ترتیب، با صرف هزینه نسبتا کم برای افزایش سیم مسی می‌توان دقت اندازه‌گیری را به طور چشمگیری افزایش داد.
اجزای اصلی RTD ها چه هستند؟
- المان مقاومتی پلاتینی سنسور: بخش اصلی اندازه‌گیری دما در RTD است. طول این المان از یک‌هشتم اینچ تا ۳ اینچ می‌تواند متغیر باشد. گزینه‌های زیادی وجود دارد. ضریب دمایی استاندارد α=۰٫۰۰۳۸۵ و مقاومت استاندارد در ºC 0 برابر Ω ۱۰۰ است.
- قطر خارجی سنسور: قطر خارجی RTD در US معمولا یک‌چهارم اینچ و در سایر کاربردها mm 6 (236/0 اینچ) است. با این حال، قطر خارجی در محدوده ۰۶۳/۰ تا ۵۰۰/۰ اینچ قرار دارد.
- لوله سنسور: معمولا برای کاربرد تا دمای ºF 500 از فولاد زنگ‌نزن ۳۱۶ استفاده می‌شود. برای دماهای بالاتر از ºF 500 بهتر است از اینکونل ۶۰۰ استفاده شود.
- اتصال فرایند سنسور: اتصال فرایند شامل تمام اتصالات استانداردی می‌شود که برای ترموکوپل‌ها استفاده می‌شوند (یعنی اتصالات فشاری، جوشی، فنری و غیره).
- انواع سیم‌کشی سنسور :سنسورها به سه حالت ۲، ۳ و ۴ سیمی ساخته می‌شوند. سنسور سه سیمی بیشترین کاربرد را در صنعت دارد. معمولا از تفلون و فایبرگلاس برای عایق کردن سیم استفاده می‌شود. تفلون در برابر رطوبت مقاوم است و تا ºF 400 دما را تحمل می‌کند. فایبرگلاس را می‌توان تا ºF 1000 استفاده کرد.
- اتصال انتهایی سرد سنسور: برای اتصال انتهای سرد RTD می‌توان از دوشاخه، سیم لخت، ترمینال و سایر اتصالات متداول برای ترموکوپل‌ها استفاده کرد.
انواع سنسورهای RTD بر اساس مقاومت آنها در دمای صفر درجه سانتی گراد:
مقاومت سنسورهای RTD در دمای صفر درجه سانتیگراد اندازه گیری می شود و بر این اساس نام گذاری می گردند. بطور مثال چنانچه مقاومت سنسور در دمای صفر درجه سانتی گراد برابر 50 اهم باشد، نام سنسور PT50 می باشد که عبارت PT بیان کننده جنس فلز (پلاتین) می باشد. از این رو سنسورهای RTD را می توان براساس مقاومت آنها در دمای صفر درجه سانتی گراد نیز دسته بندی کرد:
- سنسور PT50: دارای مقاومت 50 اهم در دمای صفر درجه سانتی گراد می باشد و به دلیل محدوده دمایی پایین استفاده کمتری در صنعت دارد.
- PT100: دارای مقاومت 50 اهم در دمای صفر درجه سانتی گراد می باشد و که در سه نوع ساده، سرامیکی و کونیک ساخته می شود که هریک محدوده دمایی خاص خود را دارد.
- PT500: دارای مقاومت 500 اهم در دمای صفر درجه سانتی گراد می باشد. این سنسور دارای کیفیت بالاتری نسبت به سایر موارد می باشد و دارای قیمت بالاتری نیز می باشد.
- PT1000: دارای مقاومت 1000 اهم در دمای صفر درجه سانتی گراد می باشد و در سه نوع فیلمانی، شیشه‌ای و سرامیکی ساخته می شود.
برای دانستنن اطلاعات بیشتر راجع به سنسور PT100 از مقاله “سنسور PT100 چیست“ بازدید کنید. همچنین می توانید برای به راحتی این سنسور را از سایت اصاکو خریداری کنید و به آسانی تحویل بگیرید.
انواع سنسورهای RTD بر اساس نوع کاربری و شکل ظاهری:
- نوع کابلی (سیمی)
- نوع میله ای هددار
سنسور های RTD از فلز هایی با جنس خاص همچون پلاتین، نیکل یا مس ساخته شده است و مقاومت الکتریکی آنها با نوسان دما به صورت خطی تغییر می کند. مقاومت الکتریکی عموما 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. از آنجا که این سنسور ها شکننده هستند، درون یک پوسته محافظ قرار داده می شوند.
انواع سنسورهای RTD بر اساس روش ساخت:
سنسور های RTD 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
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. این نوع سنسورها 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 فیلم نازک
سنسور RTD 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 نوع سنسورها دارای پایداری کمتری نسبت به سیم پیچی شده می باشند، ولی به دلیل قیمت بسیار پایین تر، کاربرد بسیار فراوانی دارند.
مزایای حسگر مقاومتی دما RTD
مزایای استفاده از RTD ها در مقایسه با ترموکوپل ها
- دقت و تکرارپذ یری بهتر دارند.
- حساسیت کمتری به نویز دارد و نسبت سیگنال به نویز آن ها بیشتر است.
- در محدوده دمای کاری، خطی تر هستند.
- خطاهای مربوط به اتصال سرد در RTD ها مطرح نیست.
- انحراف (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 انجام برخی ملاحظات راجع به RTD ها قابل حذف است. این ویژگی در مورد ترموکوپل ها در دسترس نیست.
- به سیم های الحاقی ویژه نیاز ندارند.
نکاتی در مورد 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.
- 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.
- هزینه تست و تشخیص عیب آن ها زیاد است.
- در مقایسه با ترموکوپل ها قیمت بالاتری دارند.
