ما هو مُحَسِّس درجة الحرارة المقاوم؟

ما هو مُحَسِّس درجة الحرارة المقاوم؟

تعريف مُحَسِّس درجة الحرارة المقاوم

مُحَسِّس درجة الحرارة المقاوم (المعروف أيضًا باسم مقاومة الحرارة أو RTD) هو جهاز إلكتروني يستخدم لتحديد درجة الحرارة من خلال قياس مقاومة سلك كهربائي. يُشار إلى هذا السلك بأنه حساس للحرارة. إذا أردنا قياس درجة الحرارة بدقة عالية، فإن RTD هو الحل الأمثل، حيث يتمتع بخصائص خطية جيدة على مدى واسع من درجات الحرارة. تتضمن الأجهزة الإلكترونية الشائعة الأخرى المستخدمة لقياس درجة الحرارة التيرموكوبل أو الثرميستور.

تغير مقاومة المعدن مع تغير درجة الحرارة يُعطى كـ،

حيث Rt و R0 هما قيم المقاومة عند درجات الحرارة toC و t0oC. α و β هما الثوابت التي تعتمد على المعادن.هذه المعادلة تنطبق على نطاق واسع من درجات الحرارة. بالنسبة لنطاق درجات حرارة صغير، يمكن أن تكون المعادلة،

عادةً ما تستخدم أجهزة RTD المعادن مثل النحاس والنيكل والبلاديوم. لكل معدن تغييرات فريدة في المقاومة تتوافق مع تغيرات درجة الحرارة، والتي تُعرف بخصائص المقاومة-درجة الحرارة.

يبلغ نطاق درجة الحرارة للبلاديوم 650 درجة مئوية، بينما يبلغ النحاس والنيكل 120 درجة مئوية و300 درجة مئوية على التوالي. تظهر الشكلة 1 منحنى خصائص المقاومة-درجة الحرارة للمعادن الثلاثة المختلفة. بالنسبة للبلاديوم، يتغير مقاومته بمقدار حوالي 0.4 أوم لكل درجة مئوية من درجة الحرارة.

يتم التحقق من نقية البلاديوم في أجهزة RTD بواسطة نسبة R100 / R0. تسبب الشوائب في المادة انحرافات عن الرسم البياني المتوقع للمقاومة-درجة الحرارة، مما يؤثر على قيم α و β الخاصة بالمعادن.

بناء مُحَسِّس درجة الحرارة المقاوم أو RTD

عادةً ما يكون البناء بحيث يتم لف السلك على شكل (في ملف) على إطار ميكا مائل لتحقيق حجم صغير، مما يحسن التوصيل الحراري لتخفيض وقت الاستجابة ويحصل على معدل نقل حراري عالٍ. في أجهزة RTD الصناعية، يتم حماية الملف بواسطة غلاف من الفولاذ غير القابل للصدأ أو أنبوب حامي.

وبذلك، يكون الضغط الجسدي ضئيلًا عندما يتوسع السلك ويزيد طول السلك مع تغير درجة الحرارة. إذا كان الضغط على السلك يزداد، فسيزداد التوتر. نتيجة لذلك، سيتغير مقاومة السلك وهو أمر غير مرغوب فيه. لذا، لا نريد تغيير مقاومة السلك بأي تغييرات غير مرغوب فيها باستثناء تغيرات درجة الحرارة.

وهذا مفيد أيضًا لصيانة RTD أثناء تشغيل المصنع. يتم وضع الميكا بين الغلاف الفولاذي والسلك المقاوم لتحسين العزل الكهربائي. بسبب ضغط أقل في سلك المقاومة، يجب لفه بعناية فوق صفائح الميكا. تظهر الشكلة 2 رؤية بنائية لمُحَسِّس درجة الحرارة المقاوم الصناعي.

تجهيز الإشارة لـ RTD

يمكن الحصول على هذا الجهاز RTD في السوق. ولكن يجب أن نعرف الإجراء لكيفية استخدامه وكيفية صنع دوائر تجهيز الإشارة. لذا، يمكن تقليل أخطاء أسلاك التوصيل وغيرها من أخطاء المعايرة. في هذا الجهاز RTD، يكون تغير قيمة المقاومة صغيرًا جدًا بالنسبة لتغير درجة الحرارة.

يتم تحديد مقاومة RTD باستخدام دائرة جسر، حيث يتم تزويد تيار كهربائي ثابت وقياس الانخفاض في الجهد عبر مقاومة لحساب درجة الحرارة. يتم تحديد هذه الحرارة عن طريق تحويل قيمة مقاومة RTD باستخدام معادلة معايرة. تظهر الوحدات المختلفة لـ RTD في الشكل التالي.

في دائرة جسر RTD ذات السلكين، لا يوجد سلك وهمي. يتم أخذ الإخراج من نهايتي السلكين المتبقتين كما هو موضح في الشكل 3. لكن مقاومة أسلاك التوصيل مهمة جدًا يجب مراعاتها، لأن مقاومة أسلاك التوصيل قد تؤثر على قراءة درجة الحرارة. يتم تقليل هذا التأثير في دائرة جسر RTD ذات ثلاثة أسلاك عن طريق توصيل سلك وهمي C.

في RTD ذو ثلاثة أسلاك، إذا كانت الأسلاك A و B متطابقة في الطول والمقطع العرضي، فإن تأثيرات المقاومة تتعادل. ثم يعمل السلك الوهمي C كسلك استشعار لقياس الانخفاض في الجهد دون حمل التيار. في هذه الدوائر، يكون الجهد الخرجي متناسبًا بشكل مباشر مع درجة الحرارة. لذا، نحتاج إلى معادلة معايرة لإيجاد درجة الحرارة.

معادلات لدائرة RTD ذات ثلاثة أسلاك

إذا عرفنا قيم VS و V_O، يمكننا إيجاد Rg ومن ثم يمكننا إيجاد قيمة درجة الحرارة باستخدام معادلة المعايرة. الآن، لنفترض R₁ = R₂:

إذا كان R₃ = R_g؛ فعندها V_O = 0 والجسر متوازن. يمكن القيام بذلك يدويًا، ولكن إذا لم نرغب في القيام بحساب يدوي، يمكننا فقط حل المعادلة 3 للحصول على التعبير عن R_g.

هذا التعبير يفترض أنه عندما تكون مقاومة التوصيل R_L = 0. افترض أن RL موجود في حالة معينة، فإن تعبير R_g يصبح،

لذا، هناك خطأ في قيمة مقاومة RTD بسبب مقاومة R_L. لهذا السبب، نحتاج إلى تعويض مقاومة R_L كما تم مناقشته بالفعل بتوصيل سلك وهمي 'C' كما هو موضح في الشكل 4.

قيود RTD

في مقاومة RTD، سيكون هناك فقدان للطاقة I2R بواسطة الجهاز نفسه مما يسبب تأثير تسخين طفيف. يُطلق على ذلك التسخين الذاتي في RTD. قد يسبب هذا أيضًا قراءة خاطئة. لذا، يجب الحفاظ على التيار الكهربائي عبر مقاومة RTD بمستوى منخفض وثابت بما يكفي لتجنب التسخين الذاتي.