پلاتینیوم دوامداره حرارت سنج

تعریف

مقاومت حرارتی پلاتین (PTR) که به آن ترمومتر مقاومت پلاتین (PRT) نیز می‌گویند، از پلاتین به عنوان ماده حسگر برای اندازه‌گیری دما استفاده می‌کند. عملکرد آن بر اساس اصلی است که مقاومت الکتریکی پلاتین با تغییرات دما به طور قابل پیش‌بینی متغیر می‌شود. این نوع ترمومتر قادر به اندازه‌گیری دقیق دما در محدوده وسیعی از -200°سیلسیوس تا 1200°سیلسیوس است.

پلاتین، فلز غیرفعالی است که خاصیت پذیرایی بسیار خوبی دارد و می‌تواند به راحتی به سیم‌های ریز و یکنواخت تبدیل شود. این ویژگی‌های منحصر به فرد - ثبات شیمیایی و مشخصات مقاومت-دمای متعادل - پلاتین را به انتخاب ایده‌آل برای استفاده به عنوان المان حسگر در ترمومترها تبدیل می‌کند و اطمینان از اندازه‌گیری‌های دما به صورت قابل اعتماد و دقیق در برنامه‌های متنوع را فراهم می‌کند.

چگونگی کار ترمومترهای مقاومت پلاتین

مقاومت پلاتین رابطه تقریباً خطی با دما دارد، که این ویژگی بنیادی برای اندازه‌گیری دقیق دما استفاده می‌شود. برای تعیین مقدار مقاومت، جریان متناوب یا مستقیم از المان پلاتین عبور می‌کند. هنگام عبور جریان، فرق ولتاژی در فلز القاء می‌شود که می‌توان آن را به صورت دقیق با استفاده از ولتمتر اندازه گرفت. با استفاده از یک معادله کالیبراسیون پیش‌فرض، خواندن ولتاژ اندازه‌گیری شده به مقدار دما متناظر تبدیل می‌شود، که این امر امکان تعیین دقیق دما را فراهم می‌کند.

ساختار ترمومترهای مقاومت پلاتین

در زیر ساختار یک ترمومتر مقاومت پلاتین معمولی نشان داده شده است. در مرکز آن، پره حسگر پلاتین در یک کروی محافظ قرار دارد که معمولاً از شیشه یا پایرکس ساخته شده است. این مواد پایداری حرارتی و عایق الکتریکی فراهم می‌کنند و تمامیت المان حسگر را محافظت می‌کنند. علاوه بر این، لایه عایق‌بندی روی سطح لوله شیشه‌ای عملکرد ترمومتر را افزایش می‌دهد و به اندازه‌گیری دما به صورت دقیق و متعادل کمک می‌کند.

جزئیات ساختاری ترمومترهای مقاومت پلاتین (PTRs)

در یک PTR، یک سیم پلاتینی دو رشته‌ای حول یک نوار میکا پیچیده می‌شود. این ساختار دو رشته‌ای تأثیرات القایی ناشی از جریان متناوب را کاهش می‌دهد و دقت اندازه‌گیری را تضمین می‌کند. نوار میکا به عنوان عایق الکتریکی عمل می‌کند و در انتهای لوله قرار می‌گیرد تا پره را ثابت کند و از کوتاه شدن جلوگیری کند.

یک پوشش ابونیت بازشوی لوله را مسدود می‌کند و پایداری مکانیکی و عایق‌بندی را فراهم می‌کند. انتهای سیم پلاتین به سیم‌های مسی ضخیم متصل می‌شود که به نوبه خود به ترمینال‌های (با برچسب AB) در پوشش ابونیت متصل می‌شوند. برای مقابله با مقاومت سیم‌های مسی و بهبود دقت، دو سیم مسی یکسان (به نام سیم‌های جبرانی، با برچسب CD) به ترمینال‌های بالایی متصل می‌شوند. این ساختار "چهار سیم" خطاهای ناشی از مقاومت سیم‌های اتصال را حذف می‌کند، که این ویژگی در برنامه‌های با دقت بالا بسیار مهم است.

طراحی PTR صنعتی

در تصویر زیر یک ترمومتر مقاومت پلاتین صنعتی نشان داده شده است. در اینجا، پره حسگر پلاتین با یک محفظه فولاد ضد زنگ یا پوشش شیشه/سرامیک محافظت می‌شود. این پوشش دو لایه‌ای دو مزیت اصلی را فراهم می‌کند:

• قوت مکانیکی: پوشش محکم از سیم پلاتین نازک در محیط‌های صنعتی سخت از آسیب فیزیکی محافظت می‌کند.

• مقاومت شیمیایی: پوشش شیشه یا سرامیک المان حسگر را از مواد واکنش‌پذیر محافظت می‌کند و اطمینان از قابلیت اطمینان و دقت بلندمدت در محیط‌های شیمیایی عدیم‌النظیر را فراهم می‌کند.

این طراحی توازن بین دوام و دقت اندازه‌گیری را برقرار می‌کند و ترمومترهای مقاومت پلاتین را برای برنامه‌های متنوع از تحقیقات آزمایشگاهی تا فرآیندهای صنعتی با دمای بالا مناسب می‌کند.

مزایای ترمومترهای مقاومت پلاتین

• آسانی استفاده: اندازه‌گیری دما با ترمومتر مقاومت پلاتین نسبت به ترمومترهای گازی ساده‌تر است و نیاز به تنظیم و نگهداری پیچیده‌تری ندارد.

• دقت بالا: دستگاه خوانده‌های دما با دقت بسیار بالا ارائه می‌دهد که آن را برای برنامه‌هایی که دقت مورد نیاز است، مانند آزمایشگاه‌های کالیبراسیون یا کنترل کیفیت صنعتی مناسب می‌کند.
  

• محدوده دمایی گسترده: این دستگاه در طیف گسترده‌ای از دما، از -200°سیلسیوس تا 1200°سیلسیوس، مؤثر عمل می‌کند و محیط‌های مختلف از کریوژنیک تا دمای بالا را پوشش می‌دهد.
  

• حساسیت: ترمومتر حساسیت بسیار خوبی به تغییرات دمایی ناچیز دارد و اطمینان از تشخیص قابل اعتماد حتی تغییرات کوچک را فراهم می‌کند.
  

• قابل تکرار بودن: رابطه مقاومت-دما پلاتین بسیار متعادل است. برای دمای مشخص، پلاتین همواره مقاومت یکسانی ارائه می‌دهد که اندازه‌گیری‌های قابل تکرار را تضمین می‌کند.

معایب ترمومترهای مقاومت پلاتین

• زمان پاسخ کند: ترمومتر پاسخ نسبتاً کندی به تغییرات دمایی سریع دارد که این موضوع محدودیت‌هایی برای برنامه‌هایی که نیاز به ردیابی زنده دینامیک‌های سریع دارند، ایجاد می‌کند.

• محدودیت‌های دمای بالا:

• اگرچه پلاتین نقطه ذوب بالایی (~1768°سیلسیوس) دارد، اما مواجهه طولانی مدت با دماهای بالاتر از 1200°سیلسیوس باعث تبخیر تدریجی فلز می‌شود و در نتیجه اعتبار و دقت سنسور در طول زمان کاهش می‌یابد.

• این محدودیت استفاده آن را در محیط‌های دمای بسیار بالا فراتر از محدوده عملکرد توصیه شده محدود می‌کند.

• حساسیت به کیفیت ساخت: دستیابی به حساسیت بسیار خوب و محدوده اندازه‌گیری گسترده به ساخت دقیق بسیار وابسته است. واحد‌های بد ساخته ممکن است عملکرد یا قابلیت اطمینان کاهش یافته داشته باشند و نیاز به کالیبراسیون و نگهداری دقیق دارند.

نکات کلیدی

با وجود محدودیت‌های آن، ترمومتر مقاومت پلاتین به دلیل ثبات بی‌نظیر، دقت و محدوده دمایی گسترده در بسیاری از زمینه‌ها انتخاب محبوبی است. برای برنامه‌هایی که نیاز به دماهای بسیار بالا یا پاسخ سریع دارند، حسگرهای جایگزین (مانند ترموجفت‌ها) ممکن است مناسب‌تر باشند، اما PTRها در سناریوهایی که نیاز به ثبات و قابلیت اطمینان بلندمدت است متفوق هستند.