دیتکتور دما مقاومتی یا RTD | ساختار و اصل کار

چه چیزی RTD (деткتر دما مقاومتی) است؟

یک детکتور دما مقاومتی (که به آن thermometer مقاومتی یا RTD نیز می‌گویند) یک دستگاه الکترونیکی برای تعیین دما با اندازه‌گیری مقاومت یک سیم الکتریکی است. این سیم به عنوان حسگر دما شناخته می‌شود. اگر بخواهیم دما را با دقت بالا اندازه‌گیری کنیم، یک RTD جوابگوی مورد نظر است، زیرا ویژگی‌های خطی خوبی در محدوده گسترده‌ای از دماها دارد. دیگر دستگاه‌های الکترونیکی معمول برای اندازه‌گیری دما شامل یک thermocouple یا یک thermistor هستند.

تغییر مقاومت فلز با تغییر دما به صورت زیر بیان 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 دماها 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 مختلف مقاومتی با توجه به تغییرات دما دارند. این موضوع به مشخصات مقاومت-دما معروف است.

پلاتین محدوده دما ۶۵۰oC دارد، و سپس مس و نیکل به ترتیب ۱۲۰oC و ۳۰۰oC هستند. شکل ۱ نمودار مشخصات مقاومت-دما سه فلز مختلف را نشان می‌دهد. برای پلاتین، مقاومت آن حدود ۰.۴ اهم درجه سانتیگراد تغییر می‌کند.

صافی پلاتین با اندازه‌گیری R100 / R0 چک می‌شود. زیرا موادی که در واقع برای ساخت RTD استفاده می‌کنیم باید صاف باشند. اگر صاف نباشند، از نمودار مقاومت-دما متعارف منحرف می‌شوند. بنابراین، مقادیر α و β به فلزات بستگی دارند.

ساختار детکتور دما مقاومتی یا RTD

ساختار به طور معمول چنان است که سیم روی یک قالب (در یک پیچ) روی یک قاب میکا ناهموار پیچیده شده تا اندازه کوچکی به دست آید، انتقال حرارت را بهبود بخشد و زمان پاسخ را کاهش دهد. در RTD‌های صنعتی، پیچ با یک غلاف استنلس استیل یا لوله محافظ محافظت می‌شود.

بنابراین، کشش فیزیکی ناچیز است زیرا سیم با تغییر دما منبسط می‌شود و طول سیم افزایش می‌یابد. اگر کشش روی سیم افزایش یابد، تنش افزایش می‌یابد. به دلیل آن، مقاومت سیم تغییر می‌کند که امری نامطلوب است. بنابراین، ما نمی‌خواهیم مقاومت سیم به دلیل تغییرات ناخواسته دیگر به جز تغییرات دما تغییر کند. این مورد نیز برای نگهداری RTD در حالی که کارخانه در حال عملیات است مفید است. میکا بین غلاف استنلس استیل و سیم مقاومتی قرار داده شده تا عایق الکتریکی بهتری داشته باشد. به دلیل کم بودن کشش در سیم مقاومتی، باید به دقت روی صفحه میکا پیچیده شود. شکل ۲ نمای ساختاری یک детکتور دما مقاومتی صنعتی را نشان می‌دهد.

آماده‌سازی سیگنال RTD

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

بنابراین، مقدار RTD با استفاده از یک مدار پل اندازه‌گیری می‌شود. با تأمین جریان الکتریکی ثابت به مدار پل و اندازه‌گیری ولتاژ سقوط شده روی مقاومت، مقاومت RTD محاسبه می‌شود. از آنجا که دما 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 سیم RTD، سیم دامی وجود ندارد. خروجی از دو سر باقی‌مانده گرفته می‌شود، مانند آنچه در شکل ۳ 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 سیم RTD با اتصال یک سیم دامی C کاهش می‌یابد.

اگر سیم‌های A و B به درستی از نظر طول و مساحت مقطع مطابقت داده شوند، آنگاه اثرات امپدانس آن‌ها لغو خواهند شد زیرا هر سیم در موقعیت مخالف قرار دارد. بنابراین، سیم دامی C به عنوان یک سیم حسگر برای اندازه‌گیری ولتاژ سقوط شده روی مقاومت RTD عمل می‌کند و جریانی نمی‌رساند. در این مدارها، ولتاژ خروجی مستقیماً متناسب با دما است. بنابراین، نیاز به یک عبارت کالیبراسیون برای یافتن دما داریم.

عبارات برای مدار سه سیم RTD

اگر مقادیر VS و VO را بدانیم، می‌توانیم Rg را پیدا کنیم و سپس می‌توانیم با استفاده از عبارت کالیبراسیون مقدار دما را تعیین 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 محاسبات دستی انجام دهیم، می‌توانیم فقط معادله ۳ را حل کنیم تا عبارت Rg را بدست آوریم.

این عبارت فرض می‌کند که وقتی مقاومت سیم‌های اتصال RL = 0 است. ف