детектор температуры сопротивления или RTD | Конструкция и принцип работы

چه چیزی RTD (Resistance Temperature Detector) است؟

یک Resistance Temperature Detector (همچنین به عنوان Resistance Thermometer یا RTD شناخته می‌شود) دستگاه الکترونیکی است که برای تعیین دمای با استفاده از اندازه‌گیری مقاومت یک سیم الکتریکی استفاده می‌شود. این سیم به عنوان حسگر دما شناخته می‌شود. اگر بخواهیم دمای را با دقت بالا اندازه‌گیری کنیم، RTD راه‌حل مطلوب است، زیرا خصوصیات خطی خوبی در محدوده گسترده‌ای از دماها دارد. سایر دستگاه‌های الکترونیکی معمولی که برای اندازه‌گیری دما استفاده می‌شوند شامل thermocouple یا thermistor هستند.

تغییر مقاومت فلز با تغییر دما به صورت زیر داده می‌شود،

که در آن، Rt و R0 مقادیر مقاومت در دماهای toC و t0oC هستند. α و β ثابت‌هایی هستند که به فلزات بستگی دارند.

این عبارت برای محدوده گسترده‌ای از دماهای است. برای محدوده کوچک دما، عبارت می‌تواند به صورت زیر باشد،

در دستگاه‌های RTD؛ مس، نیکل و پلاتین فلزات مورد استفاده گسترده هستند. این سه فلز تغییرات مقاومت مختلفی نسبت به تغییرات دما دارند. این موضوع به عنوان خصوصیات مقاومت-دمایی شناخته می‌شود.

پلاتین دامنه دمایی 650oC دارد، و سپس مس و نیکل به ترتیب 120oC و 300oC دارند. شکل 1 منحنی خصوصیات مقاومت-دمایی این سه فلز مختلف را نشان می‌دهد. برای پلاتین، مقاومت آن حدوداً 0.4 اهم بر درجه سلسیوس تغییر می‌کند.

نقض پلاتین با اندازه‌گیری R100 / R0 بررسی می‌شود. زیرا هر ماده‌ای که در واقع برای ساخت RTD استفاده می‌کنیم باید خالص باشد. اگر خالص نباشد، از نمودار مقاومت-دمایی متعارف منحرف می‌شود. بنابراین، مقادیر α و β بستگی به فلزات دارد.

ساخت Resistance Temperature Detector یا RTD

ساختار به گونه‌ای است که سیم روی یک قالب (به صورت لوله) روی یک قاب میکا ناهموار پیچیده می‌شود تا اندازه کوچکی داشته باشد و هدایت حرارتی را بهبود بخشد تا زمان پاسخ کاهش یابد و نرخ بالایی از انتقال حرارت به دست آید. در RTD‌های صنعتی، لوله با یک جدار محافظ از فولاد ضد زنگ یا یک لوله محافظ محافظت می‌شود.

بنابراین، تنش فیزیکی ناچیز است زیرا سیم با تغییر دما تمدید و طول سیم افزایش می‌یابد. اگر تنش روی سیم افزایش یابد، تنش افزایش می‌یابد. به دلیل آن، مقاومت سیم تغییر می‌کند که غیرمرغوب است. بنابراین، ما نمی‌خواهیم مقاومت سیم به دلیل تغییرات ناخواسته به جز تغییرات دما تغییر کند. این نکته برای نگهداری RTD در حین عملیات پروژه مفید است. میکا بین جدار محافظ فولادی و سیم مقاومت قرار گرفته تا عایق برقی بهتری داشته باشد. به دلیل کم بودن تنش در سیم مقاومت، باید با دقت روی ورق میکا پیچیده شود. شکل 2 نمای ساختاری یک Resistance Temperature Detector صنعتی را نشان می‌دهد.

سیگنال‌دهی RTD

ما می‌توانیم این RTD را در بازار پیدا کنیم. اما باید روش استفاده از آن و نحوه ساخت مدار سیگنال‌دهی را بدانیم. به گونه‌ای که خطاهای سیم‌های اتصال و سایر خطاهای کالیبراسیون کاهش یابند. در این RTD، تغییر مقادیر مقاومت نسبت به دما بسیار کوچک است.

بنابراین، مقادیر RTD با استفاده از یک مدار پل اندازه‌گیری می‌شود. با تأمین جریان الکتریکی ثابت به مدار پل و اندازه‌گیری فشار الکتریکی ناشی از مقاومت، مقاومت RTD محاسبه می‌شود. بدین ترتیب، دمای نیز تعیین می‌شود. این دما با تبدیل مقادیر مقاومت RTD با استفاده از یک عبارت کالیبراسیون تعیین می‌شود. مدول‌های مختلف RTD در شکل‌های زیر نشان داده شده‌اند.



در پل دو سیمی RTD، سیم دامی وجود ندارد. خروجی از دو سر باقی‌مانده گرفته می‌شود همان‌طور که در شکل 3 نشان داده شده است. اما مقاومت‌های سیم‌های اتصال بسیار مهم هستند که در نظر گرفته شوند، زیرا امپدانس سیم‌های اتصال ممکن است خواندن دما را تحت تأثیر قرار دهد. این اثر در مدار پل سه سیمی RTD با اتصال یک سیم دامی C کاهش می‌یابد.

اگر سیم‌های A و B به درستی در زمینه طول و مساحت مقطع مطابقت داده شوند، آنگاه تأثیرات امپدانس آن‌ها به دلیل موقعیت مخالف هر سیم با یکدیگر خنثی می‌شوند. بنابراین، سیم دامی C به عنوان یک سیم حس‌گر برای اندازه‌گیری فشار الکتریکی روی مقاومت RTD عمل می‌کند و هیچ جریانی ندارد. در این مدارها، ولتاژ خروجی مستقیماً متناسب با دما است. بنابراین، ما به یک عبارت کالیبراسیون برای یافتن دما نیاز داریم.

عبارات برای مدار سه سیمی RTD

اگر مقادیر VS و VO را بدانیم، می‌توانیم Rg را پیدا کنیم و سپس می‌توانیم با استفاده از عبارت کالیبراسیون مقدار دما را پیدا کنیم. حالا، فرض کنید R1 = R2:

اگر R3 = Rg؛ آنگاه VO = 0 و پل متعادل است. این کار می‌تواند به صورت دستی انجام شود، اما اگر نمی‌خواهیم محاسبه دستی انجام دهیم، می‌توانیم فقط معادله 3 را حل کنیم تا عبارت Rg را به دست آوریم.

این عبارت فرض می‌کند که وقتی مقاومت سیم اتصال R