Direnç Tipi Sıcaklık Sensörü veya RTD | Yapı ve Çalışma Prensibi
RTD (Direnç Sıcaklık Dedektörü) Nedir?
Bir Direnç Sıcaklık Dedektörü (aynı zamanda Direnç Termometresi veya RTD olarak da bilinir), bir elektrik kablosunun direncini ölçerek sıcaklığı belirlemek için kullanılan bir elektronik cihazdır. Bu kablo, sıcaklık sensörü olarak adlandırılır. Eğer yüksek hassasiyetle sıcaklık ölçmek istiyorsak, geniş bir sıcaklık aralığında iyi doğrusal özelliklere sahip olan bir RTD, ideal çözümdür. Sıcaklığı ölçmek için kullanılan diğer yaygın elektronik cihazlar arasında bir termokupl veya bir termistör bulunur.
Metaldaki direnç değişimi ile sıcaklık değişimi arasındaki ilişki şu şekilde verilir,
Burada, Rt ve R0 sırasıyla toC ve t0oC sıcaklıklarındaki direnç değerleridir. α ve β, metale bağlı sabitlerdir.
Bu ifade, geniş bir sıcaklık aralığı için geçerlidir. Küçük bir sıcaklık aralığı için ifade şu şekildedir,
RTD cihazlarında; Bakır, Nikel ve Platin yaygın olarak kullanılan metallerdir. Bu üç metal, sıcaklık değişimine göre farklı direnç varyasyonlarına sahiptir. Bu, direnç-sıcaklık karakteristiği olarak adlandırılır.
Platin'in sıcaklık aralığı 650oC'dir, ardından Bakır ve Nikel sırasıyla 120oC ve 300oC'dir. Şekil-1, üç farklı metalin direnç-sıcaklık karakteristik eğrisini göstermektedir. Platin için, direnci sıcaklığın her derece Celsius'unda yaklaşık 0.4 ohm artmaktadır.
Platinin safliği, R100 / R0 ölçümüyle kontrol edilir. Çünkü, RTD yapımında kullandığımız herhangi bir malzemenin saf olması gerekir. Eğer saf değilse, geleneksel direnç-sıcaklık grafiğinden sapacaktır. Bu nedenle, α ve β değerleri metale bağlı olarak değişecektir.
Direnç Sıcaklık Dedektörü veya RTD'nin Yapısı
Yapı genellikle, küçük boyut elde etmek, termal iletkenliği artırmak, tepki süresini azaltmak ve yüksek ısı transfer hızını sağlamak için telin bir form üzerine (bir bobin şeklinde) notlu mika çapraz çerçevesine sarılması şeklindedir. Endüstriyel RTD'lerde, bobin paslanmaz çelik bir kabuk veya koruyucu tüp tarafından korunur.
Böylece, fiziksel gerilme, telin sıcaklık değişimine bağlı olarak uzadıkça ihmal edilebilir düzeydedir. Eğer tel üzerindeki gerilme artarsa, gerilim de artar. Buna bağlı olarak, telin direnci istenmeyen şekilde değişir. Bu yüzden, sadece sıcaklık değişimleri dışında herhangi bir istenmeyen değişiklikle telin direncinin değişmesini istemiyoruz. Bu, işletmenin devam ettiği esnada RTD bakımı için de yararlıdır. Mika, paslanmaz çelik kabuk ve direnç telinin arasına yerleştirilerek daha iyi elektriksel yalıtım sağlar. Düşük gerilme nedeniyle, direnç telini mika şeffafına dikkatli bir şekilde sarılmalıdır. Şekil-2, endüstriyel bir Direnç Sıcaklık Dedektörünün yapısal görünümünü göstermektedir.
RTD'nin Sinyal Koşullandırılması
Bu RTD'yi piyasadan alabiliriz. Ancak, nasıl kullanılacağını ve sinyal koşullandırma devresini nasıl oluşturacağımızı bilmeliyiz. Böylece, başlangıç kablosu hataları ve diğer kalibrasyon hataları minimize edilebilir. Bu RTD'de, direnç değeri sıcaklıkla orantılı olarak çok küçük değişir.
Bu nedenle, RTD değeri bir köprü devresi kullanılarak ölçülür. Köprü devresine sürekli elektrik akımı sağlanır ve oluşan gerilim düşümü direnç üzerinden RTD direnci hesaplanır. Bu sayede, sıcaklık da belirlenebilir. Bu sıcaklık, RTD direnç değerini kalibrasyon ifadesi kullanarak dönüştürerek belirlenir. Aşağıdaki figürlerde, RTD'nin farklı modülleri gösterilmektedir.
İki tel RTD Köprüsünde, kukla tel yoktur. Çıkış, fig.3'te gösterildiği gibi kalan iki uçtan alınır. Ancak, uzatma kablolarının dirençleri, uzatma kablolarının impedansının sıcaklık okumasını etkileyebileceğinden dolayı önemlidir. Bu etki, üç tel RTD köprü devresinde 'C' adlı kukla bir tel bağlayarak minimize edilir.
Eğer A ve B kablolari uzunluk ve kesit alanları açısından uygun şekilde eşleşirse, her bir kablo zıt pozisyonda olduğundan, etkileri birbirini götürür. Bu nedenle, kukla tel C, RTD direnci üzerinden gerilim düşümünü ölçmek için algılama görevi görür ve hiçbir akım taşımaz. Bu devrelerde, çıkış gerilimi doğrudan sıcaklıkla orantılıdır. Bu nedenle, sıcaklığı bulmak için bir kalibrasyon denklemine ihtiyaç vardır.
Üç Tel RTD Devresi için İfadeler
Eğer VS ve VO değerlerini biliyorsak, Rg değerini bulabilir ve ardından kalibrasyon denklemi kullanarak sıcaklık değerini bulabiliriz. Şimdi, R1 = R2 olduğunu varsayalım:
Eğer R3 = Rg; o zaman VO = 0 ve köprü dengededir. Bu manuel olarak yapılabilir, ancak manuel hesaplama yapmak istemiyorsak, denklem 3'ü çözerek Rg için ifadeyi bulabiliriz.
Bu ifade, başlangıç direnci RL = 0 olduğunda geçerlidir. Eğer RL varsa, Rg ifadesi şu şekildedir:
Bu nedenle, RL direnci nedeniyle RTD direnci değerinde bir hata olur. Bu yüzden, fig.4'te gösterildiği gibi bir kukla çizgi 'C' bağlayarak RL direncini telafi etmemiz gerekmektedir.
