سنسور RTD چیست و چگونه کار می‌کند؟

 سنسور RTD یا سنسور آشکارساز دمای مقاومتی (Resistance Temperature Detector) یکی از رایج‌ترین ابزارها در اندازه‌گیری دقیق دما به حساب می‌آید. این سنسور بر اساس این قانون عمل می‌کند که با تغییر دما مقاومت فلزات نیز دچار تغییر می‌شوند. در نتیجه می‌توان از فلزات خالص برای سنجش دما طبق این قانون استفاده کرد. روش سنجش دما بر اساس تغییر مقاومت جزو روش‌های سنجش الکتریکی دما محسوب می‌شود. روش‌های سنجش الکتریکی دما در سال‌های اخیر در ابزارهای اندازه‌گیری دمای مستقیم، سنجش دمای غیر مستقیم یا تشعشعی و نیز روش‌های آکوستیک دماسنجی مورد استفاده قرار گرفته‌اند. در ادامه به بررسی ساختار و نیز انواع مدارات سنسور RTD می‌پردازیم که یکی از مهم‌ترین روش‌های سنجش الکتریکی دما است.

سنسور RTD

همان طور که در بالا بیان کردیم، مقاومت الکتریکی فلزات با دما تغییر می‌کند. کنداکتیویتی الکتریکی یک فلز را می‌توان از رابطه زیر محاسبه کرد:

σ = ne²t_r/m

در رابطه فوق e بار الکترون، n تعداد الکترون‌ها در واحد حجم، m جرم الکترون و t_r زمان استراحت (relaxation time) است. با تغییر دما مقدار زمان استراحت تغییر می‌کند. مقدار آن معمولا در بازه ^13- 10 ثانیه است. الکترون‌ها مانند امواج مسطح در طول فلز حرکت می‌کنند و این امواج توسط تابعی با فرکانس شبکه اصلاح می‌شوند. با نقص در شبکه، فلز مقاومت به دست می‌آورد. عیوب ممکن است به دلیل نقص نقطه، مرز دانه‌ها، اتم‌های خارجی و … ایجاد شوند که باعث افزایش مقاومت در برابر پراکندگی می‌شوند. مقدار مقاومت فلز را می‌توان از رابطه زیر به دست آورد:

𝞺 = 1/σ = (m/(ne²)) ∑ (1/t_ri)

پراکندگی الکترون‌ها فقط به دما وابسته است و فاکتورهای دیگر موجب افزایشی ثابت در مقدار مقاومت می‌شوند. بنابراین رابطه فوق به صورت زیر تبدیل می‌شود:

𝞺 = 𝞺_o [1 + (m/ne²)(1/t_rk )]

حال با در نظر گرفتن این نکته که t_rk یک تابع سری از Δt (تغییرات دما) است، در نهایت به رابطه زیر برای تغییرات رزیستانس بر حسب تغییرات دما می‌رسیم:

(R_t = R₀ (1 + ∑ α_j (Δt)^j

در این رابطه، α_j ها ضرایب دمایی رزیستانس هستند. در بازه‌های کوچک عملکرد می‌توان از α_j برای j ≥ 2 صرف نظر کرد. در نتیجه رابطه به صورت زیر ساده‌سازی می شود:

R_t = R_o (1 + α₁Δt)

α_۱ برای یک المان مقاومتی فلزی خالص مثبت است و معمولا به صورت تجربی مشخص می‌شود. متداول‌ترین فلزات مورد استفاده در سنجش دما به ترتیب پلاتین (بازه دمایی 190- تا 660 درجه سانتی گراد و درجه دو)، مس (بازه دمایی 150- تا 250 درجه سانتی گراد) و نیکل (بازه 0 تا 325 درجه سانتی گراد) هستند. رابطه رزیستانس و دما این فلزات در نمودار تصویر زیر نشان داده شده است.

نحوه انتخاب فلز مناسب

برای انتخاب مواد مناسب باید به نکات زیر توجه کرد.

1: ضرایب دمایی بالا باعث افزایش حساسیت می‌شوند.

۲: مقاومت بالای فلزات. این مورد کاهش طول سیم را برای یک مقدار مقاومت بالا تضمین می‌کند، به این معنی که مقاومت بزرگ‌تری به ازای یک طول سیم ثابت به دست می‌آید و خروجی نیز بزرگتر خواهد بود.

۳: یکی دیگر از نکات مهم در انتخاب فلزات، وجود رابطه خطی بین دما و مقاومت است که باعث سهولت بیشتر در اندازه‌گیری می‌شود.

۴: نکته مهم دیگر، پایداری مشخصه‌های الکتریکی و مقاوم بودن در برابر آلودگی‌ فلز مورد نظر است که در امر تکرارپذیری اندازه‌گیری بسیار اهمیت دارد.

۵: داشتن مقاومت مکانیکی کافی نیز مولفه مهم دیگری است. به منظور کاهش زمان پاسخ، سیم باید دارای قطر بسیار کمی باشد، اما در عین حال باید مقاومت مکانیکی کافی برای استفاده در سنسور دما RTD و ترمومتر را نیز داشته باشد. در جدول زیر مولفه‌های مهم فوق برای سه فلز پرکاربرد در سنسور RTD بیان شده است.

برای دماهای زیر ۱۲۰ درجه کلوین آلیاژ طلا – نقره مورد استفاده قرار گرفته است و مشخصه‌هایی شبیه به پلاتین از خود نشان می‌دهد. برای دماهای زیر ۷ درجه کلوین نیز آلیاژ فسفر – برنز مشخصه مقاومتی خوبی متناسب با تغییرات دما دارد. در واقع حساسیت آن ۵۵ برابر بزرگتر از مواد معمول در همین بازه دمایی است. این حساسیت بزرگ به دلیل اثر فوق‌رسانا ناشی از حضور سرب است. همچنین مقادیر بسیار کم آهن، در حد ۰.۵ درصد، در آلیاژ با رودیوم مشخصه مقاومتی غیرعادی با ضرایب مثبت در دماهای پایین تولید می‌کند. این آلیاژ را می‌توان در بازه دمایی ۰.۵ تا ۳۰ کلوین مورد استفاده قرار داد.

ساختار سنسور RTD

معمولا در ترمومترها یا سنسورهای RTD از سیم‌های با قطر ۰.۰۱ سانتی متر استفاده می‌شود. البته بسته به بازه دمایی و سایر فاکتورها گاهی ضخامت سیم از ۰.۰۰۲ تا ۰.۰۶ سانتی متر تغییر می‌کند. ابتدا خلوص سیم را با تست ضرایب مقاومتی آن می‌سنجند. سپس سیم آزمایش شده به صورت دو رشته‌ای روی یک چارچوب پیچیده می‌شود تا یک سیم‌پیچ (coil) تشکیل شود. در کاربردهای معمولی جنس چارچوب یا پوشش ممکن است یک صلیب میکا، یک تخته سرامیکی یا خرطومی گرد باشد. برای اندازه گیری دمای سطح، معمولا یک شبکه سیمی بافته‌شده، یا به عبارت دیگر یک شکل شبکه ای در سطح یک سیلندر عایق انتخاب می‌شود. البته استفاده از ساختاری مانند استرین گیج نیز متداول است.

دمای هوا، چه در حالت راکد و چه در حال حرکت، در بسیاری از موارد نیاز به اندازه گیری دارد. در این حالت طراحی با توجه به درجه تحرک و محدوده دما تغییر می‌کند. شکل مارپیچ خود‌نگهدار (self-supporting helical type) برای این منظور بسیار رایج است. همان طور که در شکل زیر (a) نشان داده شده است، این ساختار روی یک قاب عایق نصب شده است. شکل‌های (b) و (c) نیز به ترتیب یک نوع سیم‌پیچ متقاطع میکا و نوعی پروب اندازه‌گیری دمای سطحی را نشان می‌دهند.

ترمومترهای مقاومتی یا سنسور RTD در دو مدل حساس به نوک (tip sensitive) یا حساس به ساقه (stem-sensitive) ساخته می‌شوند. شکل (b) از تصویر فوق مدل حساس به نوک و شکل (a) حساس به ساقه است. ساختارهای حساس به ساقه متداول‌تر هستند، در حالی که ساختارهای حساس به نوک فقط در موارد خاص مورد استفاده قرار می‌گیرند. نوع حساس به نوک از یک نوک نقره‌ای برای انتقال آسان و سریع حرارت به سیم پیچی تشکیل شده است.

غلاف محافظ

در ترمومترهای مقاومتی برای جلوگیری از اندازه‌گیری دمای واسط معمولا آن‌ها را درون یک غلاف محافظ از جنس شیشه، کوارتز، چینی و حتی نیکل قرار می‌دهند. امروزه بیشتر از تیوب‌های سرامیکی استفاده می‌شود که دارای ۹۹.۷٪ Al₂O₃ هستند. همچنین امکان دارد غلاف از هوا با فشار بالا پر شود، به صورتی که فشار بالاتر از فشار واسط اندازه‌گیری باشد. در دماهای بالا، این فشار ۱/۳ تا ۱/۲ فشار اتمسفر است. در دماهای پایین، فشار حدودا ۱ اتمسفر کافی است. برای دماهای بسیار پایین، به دلیل تراکم‌پذیری نباید از هوا استفاده کرد. در این حالت استفاده از هلیوم توصیه می‌شود. 

همچنین نکته دیگری که باید به آن توجه کرد این است که سیم‌پیچی‌ها نیز باید در برابر بخار آب محافظت شوند تا هم از زنگ‌زدگی و هم از نشت مقاومتی جلوگیری شود. در غیر این صورت نشت مقاومتی بین سیم‌پیچ‌ها، بین غلاف محافظ و سیم‌پیچ و نیز بین سیم‌پیچ و چارچوب ایجاد می‌شود. در صورت لخت نبودن سیم، مواد عایق انتخاب‌شده برای آن لعاب مینا، ابریشم، کاغذ، فایبر گلاس مخصوص، تفلون و میکا هستند. اگر ولتاژ متداول اندازه‌گیری ۱/۴ ولتاژ تست باشد، مقاومت عایق باید ۲۰ مگا اهم برای ولتاژ اعمالی ۱۰۰ ولت باشد.

بازه مقاومتی RTD

معمولا در سنسور RTD مقدار مقاومت از ۰.۱ تا چند صد اهم تغییر می‌کند. به عنوان مثال در صنعت ترانسفورمر از ترمومترهای مقاومتی از جنس مس استفاده می‌شود که در دمای ۲۵ درجه سانتی گراد دارای مقاومت ۱۰ اهم هستند. با پیشرفت‌های تکنولوژی اکنون سنسورهای RTD پلاتینی فیلمی بسیار نازکی با مقاومت بالا بر روی سطوح بسیار کوچک تولید می‌شوند. نمونه ۱۰۰۰ اهمی از این نوع RTDها با مقدار α برابر با ۰.۰۰۳۷۵ با واحد Ω/Ω/ºC استاندارسازی شده‌اند. همچنین RTDهای پلاتینی صنعتی برای مقادیر مختلف مقاومت در بازه ۱۰۰ تا ۵۰۰ اهم و در ابعاد فیزیکی مختلف وجود دارند.

مدارات سنسور RTD

سنسور RTD یا ترمومتر مقاومتی را می‌توان دقیق‌ترین سیستم اندازه‌گیری دما به حساب آورد که با استفاده از آن می‌توان دقت ۰.۰۰۰۱ درجه سانتی گراد را به دست آورد. استفاده از این سنسورها برای اندازه گیری اختلاف دماهای بسیار کوچک نیز بسیار راحت است. این در حالی است که ترموکوپل‌های متداول مورد استفاده خروجی اندازه‌گیری قابل قبولی ندارند. برای اندازه‌گیری مقاومت در سنسورهای RTD از مدارات پل استفاده می‌شود. البته به منظور اندازه‌گیری دقیق باید تمهیدادتی برای جبران‌سازی اثر مقاومتی سیم‌های رابط لید و نیز غیرخطی بودن در دماهای بالا اندیشید.

مدار RTD چهار سیمه

سیم‌های رابط در کاربردهای داخلی معمولا از آلیاژ یک فلز پایه مانند مس با روکش نیکل یا اینکونل با شرایط کاری دمای بالا هستند. در قسمت خارجی، سیم‌های رابط معمولا سیم‌هایی مسی با عایق تفلون هستند. جبران‌سازی برای سیم‌های رابط توسط ساختار ترمومتر ۴ سیمه انجام می‌شود. نمایی از این ساختار در تصویر زیر نشان داده شده است.

در این مدار از سه عدد کلید و یک مقاومت متغیر استفاده شده است. برای کلیدها می‌توان از یک کلید جیوه سه حالته استفاده کرد. با هر بار تغییر وضعیت کلیدها به حالت باز یا بسته مسیر جریان در مدار برعکس می‌شود. همان طور که قبلا بیان کردیم، از این مدار برای حذف اثر مقاومت سیم‌های رابط استفاده می‌شود. در حالت های مختلف کلیدها، روابط زیر برای مقدار مقاومت‌ها برقرار است:

R_a+ R_k = R_t + R_T

R‘_a+ R_T = R_t + R_k

حال با جمع این دو رابطه، به مقدار زیر می‌رسیم:

R_t = (R_a + R_a‘ )/2

به این مدار پل مولر (Mueller bridge) می‌گویند که در اندازه‌گیری با RTDها مورد استفاده قرار می‌گیرند. برای خطی‌سازی نیز در سمت آشکارساز از یک کانورتر استفاده می‌کنیم. شماتیک این مدار در تصویر زیر نشان داده شده است.

در این مدار برای جبران اثر غیرخطی بودن در دماهای بالا باید مقدار مناسبی برای مقاومت R_fb انتخاب کرد. این مقاومت مقدار فیدبک مثبت از خروجی امپلی‌فایر A₁ را تعیین می‌کند.

مدار RTD سه سیمه

البته در کاربردهای تجاری استفاده از روش slide wire محبوبیت بیشتری دارد. زیرا در این روش می‌توان به سادگی مقاومت اتصال را به منبع یا بازوهای تشخیص دهنده منتقل کرد بدون اینکه بر مقاومت پل اثری داشته باشد. مدار سه سیمه برای این کار ترجیح داده می‌شود، زیرا مقاومت متغیر سیم‌های رابط را جبران می‌کند. سه سیم رابط به صورت موازی با همدیگر در یک غلاف برای توزیع دمای یکسان قرار دارند. برای بهبود جبران‌سازی مقاومت سیم‌های رابط، گاهی از روش double slide wire استفاده می‌شود. مدار مربوط به این روش در تصویر زیر نشان داده شده است.

تیغه پتانسیومترهای این مدار به صورت مکانیکی به هم متصل هستند و نسبت مقاومت‌ها در طرفین پایه مشترک هر دو پتانسیومتر R_s1 و R_s2 یکسان است. با توجه به مدار تصویر، در شرایط متعادل رابطه زیر برقرار است:

(R_t + R_l) /(fR_s2 + R₃ + R_l) = (R₂ + R_s1 – fR_s1)/(R₁ + fR_s1 + R_s2 – fR_s2)

در این رابطه، R_l مقاومت سیم‌های رابط است و هر دو مورد برابر فرض شده‌اند. اگر طرف راست معادله فوق را برابر با یک قرار دهیم، به معادله زیر می‌رسیم:

R_t = fR_s2 + R₃ ,       i.e.,         Rt ∝ f

نسبت‌ فوق زمانی به دست می‌آید که مقادیر مقاومت‌ها به صورت زیر انتخاب شوند:

R₂ – R₁= R_s1 = (1/2) R_s2

عدم تعادل در مدار پل معمولا توسط یک سرو سیستم احساس می‌شود و تیغه‌های پتانسیومتر به صورت اتوماتیک به منظور بازگرداندن تعادل حرکت داده می‌شوند. هر یک یا هر دوی پتانسیومترها ممکن است مستقیما در دما کالیبره شوند. می‌توان از یک تغذیه ac نیز برای پل استفاده کرد که در این صورت باید از یک پل خازنی برای اندازه‌گیری بهره برد. یک مدار پل ac با تعادل اتوماتیک در تصویر زیر نشان داده شده است.

سایر مدارات

اگر از آشکارساز نول به جای این دستگاه استفاه کرد، می‌توان برای انحراف در پوینتر میلی ولتمتر از تغییرات مقاومت سنسور RTD بهره برد. مشخصا دقت این دستگاه کمتر است و زمانی از آن استفاده می‌شود که تغییرات دما بسیار کمتر از یک حد معین باشد. با استفاده از یک منبع تغذیه جریان ثابت بسیار پایدار مدارات دیگری برای تکنیک تعادل نول در اندازه‌گیری دما نیز رواج پیدا کرده است. این روش‌ها مخصوصا زمانی پرکاربرد هستند که نقاط اندازه‌گیری دمای فراوانی وجود داشته باشند و نیاز به اسکن دستی/اتوماتیک باشد.

در مدار RTD سه سیمه بخش قبل، منبع جریان ثابت، المان را از طریق نقاط m،c و a با جریان ثابت I تغذیه می‌کنند. در نتیجه ولتاژ خروجی در ترمینال K-T به صورت زیر است:

E = f (I R_t) = f₂ (T)

توجه کنید که در جریان ثابت R_t= f₁(T) است. جریان ثابت I برای جلوگیری از خطای خود گرمایشی، کوچکتر از 2 میلی آمپر نگه داشته می‌شود. اغلب برای بازه‌های بزرگ، از یک خطی ساز استفاده می‌شود و ولتاژ خروجی را نیز می‌توان توسط کانورتر به خروجی 4-20 میلی آمپر تبدیل کرد. همچنین نمایش دیجیتال خروجی را می‌توان به راحتی انجام داد.

اگر این مطلب برای شما مفید بود، شاید مطالب زیر نیز برای شما مفید باشند:

انتخاب فلومتر __ راهنمای جامع

ابزار دقیق پنوماتیک — به زبان ساده

فلومتر کوریولیس ــ از صفر تا صد

سنسور دمای غیر تماسی — از صفر تا صد

کنداکتیویتی متر بدون الکترود — اصول کاری

پریسماتک اولین تولیدکننده رفرکتومتر، فلومتر و کنداکتیویتی‌مترهای صنعتی در انواع مختلف است. برای راهنمایی در انتخاب این ابزارها با شماره‌های شرکت تماس بگیرید.

محصولات پریسماتک:

انواع رفرکتومترهای دیجیتال

انواع فلومترهای الکترومغناطیسی

انواع کنداکتیویتی مترها

منبع