مهندسی برق

اندازه گیرهای مقاومتی دما  RTD:

در بخش قبل اندازه گیرهای مقاومتی دما توسط ترموكوپل  آموزش داده شد.در این بخش قصد داریم اندازه گیرهای مقاومتی دما  را معرفی کنیم.

Resistance Temperature Detector)  RTD) به اندازه گیرهای مقاومتی دما اشاره میکند.

اولین بار هامفری دیوی کشف کرد که مقاومت فلزات با دما ، رابطه مستقیم دارد یعنی با افزایش دما مقاومت فلزات افزایش می یابد وسالها بعد ویلیام زیمنس اولین ترمومتر مقاومتی را با استفاده از پلاتین ساخت.

تمام فلزات دارای خاصیت افزایش مقاومت بر اثر افزایش دما هستند ولی برخی از فلزات به دلیل خواص ذاتی دیگر بیشتر مورد استفاده قرار میگیرند.

امروزه پلاتین به دلیل رنج اندازه گیری و دقت بالا ، پایداری خوب و خروجی خطی به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرد.رنج اندازه گیری RTD از جنس پلاتین بین ( ۶۳۰  تا  ۱۸۲ – ) C°  می باشد.

هرچه ضریب مقاومت مخصوص فلز بالاتر باشد ، خطای اندازه گیری کاهش خواهد یافت.به همین دلیل از طلا و نقره در ساخت RTD استفاده نمی شود.

تنگستن مقاومت زیادی دارد و چون شکننده و آسیب پذیر است ، فقط در دماهای بالا استفاده میشود.

مس ارزان است و دارای خروجی خطی میباشد ولی فقط قادر به اندازه گیری حداکثر دمای ۱۲۰ C° است.از نیکل با توجه به حساسیت بالای آن در صنعت استفاده می شود.(ضریب افزایش مقاومت ۰٫۰۰۶۷ در مقابل ۰٫۰۰۳۸۵پلاتین).

در نامگذاری RTD ها از یک سری حروف و اعداد استفاده میشود که حروف بیانگر جنس فلز مورد استفاده و عدد نشان دهنده ی مقاومت RTD در دمای صفر درجه سانتی گراد میباشد.
به خاطر تغییرات کوچک RTD ها نسبت به دما, آنها را طوری طراحی میکنند که در دمای صفر درجه دارای مقداری مقاومت باشند .به عنوان مثال سنسور دمای RTD ، PT100 از جنس پلاتین و در صفر درجه سانتی گراد دارای ۱۰۰ اهم مقاومت است.

ضریب آلفا α :
ضریب مقاومت حرارتی فلزات بیانگر میزان تغییر مقاومت بر اثر تغییر ۱ واحد دماست که بر حسب “اهم بر درجه سلسیوس”  بیان میشود.ضریب حرارتی چند فلز را مشاهده میکنید:
نیکل ۰٫۰۰۶۷
مس۰٫۰۴۲
پلاتین ۰٫۰۰۳۸۵
تنگستن۰٫۰۰۴۵

روش ساخت RTD

RTD ها به دو صورت ساخته میشوند:
۱ – روش سیم پیچی : در این روش یک سیم نازک به دور یک هسته سرامیکی پیچیده میشود.سیم پیچی تا جایی ادامه می یابد که مقاومت آن در دمای صفر درجه به مقدار تعیین شده برسد.این مقاومت معمولا ۱۰۰ اهم است ولی RTD هایی با مقاومت های مختلف ۵۰ ، ۵۰۰  و … نیز وجود دارند.

۲- روش فیلم نازک: در این روش یک لایه از فلز را بر روی یک هسته قرار می دهند و سپس ضخامت آنرا کاهش می دهند تا به مقاومت مورد نظر برسد.

محاسبه مقاومت RTD ها در دماهای مختلف :

R= R0(1+ αT)                                                                                                                                  : T

 دمای مورد نظر بر حسب C°

R : مقاومت RTD در دمای مورد نظر بر حسب اهم

R0 : مقاومت در دمای صفر درجه بر حسب اهم

 α : ضریب حرارتی فلز تشکیل دهندهRTD

قرائت  RTD

برای قرائت مقاومت RTD یک جریان ثابت ضعیف توسط کنترلر در آن جاری می شود و سپس با اندازه گیری ولتاژ دو سر آن مقدار مقاومت محاسبه می شود.وقتی ارتباط بین سنسور و کنترلر با دو سیم برقرار می شود ، ولتاژی که کنترلر می بیند شامل افت ولتاژ دو سر RTD  وافت ولتاژ ناشی از مقاومت سیم است.بنابر این مقاومت مسیر باعث ایجاد خطا در اندازه گیری می شود.

 نکته : جریانی که در مقاومت RTD جاری می شود باعث گرم شدن آن نیز می شود که این پدیده نیز باعث ایجاد خطا در اندازه گیری می گردد.به این پدیده خود گرمایی گفته می شود.

دو راه برای از بین بردن این اثر وجود دارد :

۱- روش چهار سیمه :

در این روش از دو سیم جریان ثابت عبور می کند و ولت متر به دو سیم دیگر متصل می شود.چون مقاومت داخلی ولت متر بی نهایت است ، بنابر این جریانی از دو سیم عبور نمی کند.

هنگامی که از سیم جریان عبور نکند افت ولتاژ در آن صفر بوده و در اندازه گیری مقاومت خطا ایجاد نمی شود.مطابق شکل از مسیرهای L1 و L2 جریان عبور نمی کند و فقط ولتاژ قرائت می شود.

۲- روش سه سیمه و پل وتسون:

مقاومت مسیر در دو بازوی مختلف پل قرار می گیرد و خنثی می شود.

در شکل پیداست که از سیم L2 جریان نمی گذرد و مقاومت سیم های L1 و L2  با هم خنثی می شود.

.

اندازه گيري دما توسط ترموكوپل

دما :

دما یکی از کمیت هایی است که اندازه گیری و کنترل آن در صنعت بسیار ضروری است.روش های مختلفی برای اندازه گیری دما ابداع شده است که  در زیر (و بخش های بعدی این آموزش)به روش های مبتنی بر خواص الکتریکی مواد اشاره می کنیم.

واحدهای اندازه گیری دما :

۱- درجه سلسیوس celsius (سانتی گراد centi grad) : مقیاس علمی متداول است که در آن صفر درجه ، نقطه ی انجما آب و صد درجه نقطه جوش آب در فشار یک اتمسفر است.

۲- درجه ی فارنهایت fahrenheit : منشأ این مقیاس دقیقا روشن نیست ولی گزارش شده است که صفر فارنهایت از قرار دادن حباب دماسنج در مخلوطی از یخ و کلرو آمونیوم حاصل شده است و بالاترین نقطه ی این مقیاس دمای شروع جوشش جیوه است.بین این دو دما به ۶۰۰ درجه تقسیم شده است.نقطه ی انجماد آب ۳۲ درجه و نقطه ی جوش آب ۲۱۲ درجه ی فارنهایت می باشد.

۳- درجه ی کلوین kelvin :در سیستم SI دمای مطلق را برحسب درجه ی کلوین اندازه گیری می کنند. در حقیقت صفر مطلق در مقیاس کلوین  ۲۷۳٫۱۵- درجه سلسیوس توسط مخترع آن لرد کلوین در نظر گرفته شده است.این دما پایین ترین دمای ممکن است و در این دما انرژی جنبشی مولکول ها به صفر می رسد.

از روابط زیر می توان برای تبدیل واحدهای دما استفاده کرد:

C  +۲۷۳ ) = °K°)

 F  – ۳۲ )× ۱٫۸ = °C°)

C  × ۱٫۸)+ ۳۲ = °F°)

سنسورهای دما :

سنسورهای الکتریکی دما

ترموکوپل Thermocouple

وقتی دو سیم فلزی با جنس مختلف از دو انتها به یکدیگر متصل می شوند و به یکی از محل های اتصال حرارت داده شود، جریانب در دو سیم به وجود می آید.این پدیده در سال ۱۸۲۱ توسط توماس سیبک آلمانی کشف شد.

این جریان ناشی از اختلاف دمای بین دو انتهای ترموکوپل است و ترموکوپل قادر به اندازه گیری دمای مطلق نمی باشد.بنابراین یک انتها ، اتصال اندازه گیری (measuring junction) یا اتصال گرم (hot junction)  وانتهای دیگر اتصال مرجع (reference) یا اتصال سرد (cold junction) نامیده می شود.

حال برای قرائت صحیح دما ، اتصال گرم را در دمای مورد نظر قرار می دهیم و دمای اتصال سرد را محاسبه کرده از آن کم می کنیم.برای این منظور می توان اتصال سرد را یا در دمای صفر درجه نگاه داشت که در این صورت دیگر نیازی به محاسبه اختلاف دما نیست.این روش یک روش عملی نیست ، بنابر این دمای اتصال سرد را توسط یک سنسور دیگر لحظه به لحظه اندازه گیری کرده و از دمای اندازه گیری شده کم می کنیم.این روش امروزه توسط IC های اندازه گیری دما براحتی قابل اجراست.

اگر یک سر دو سیم قطع شود در اثر پدیده ترموالکتریک(seeback-effect) ولتاژی در دو سر آن به وجود می آید که تابعی از درجه حرارت نقطه تماس و اتصال دو سیم فلزی می باشد.

از ویژگی های ترموکوپل ها پاسخ زمانی سریع و حوضه اندازه گیری وسیع آن هاست،همچنین عدم نیاز به منبع تغذیه خارجی در آن ها یک ویژگی مهم دیگر ترموکوپل ها می باشد.

شکل ۱ ) ترموکوپل

به دلیل غیر خطی بودن ولتاژ خروجی ترموکوپل ها ، جداول استانداردی برای انواع ترموکوپل ها ارایه می شود که با قرار دادن مقادیر این جداول در کنترلر می توان با قرائت ولتاژ خروجی درجه حرارت اندازه گیری شده را تعیین نمود.

انواع ترموکوپل ها:

ترموکوپل ها را بر اساس عناصر سازنده شان نامگذاری می کنند، که از متداولترین آن ها می توان به موارد زیر اشاره کرد :

                                            سر مثبت                               سر منفی                              ضریب سیبک

ترموکوپل نوع K                         کرومل                                       آلومل                                      ۴۲

ترموکوپل نوع J                           آهن                                    کنستانتان                                    ۵۴

ترموکوپل نوع N                       نیکروسیل                                  نیسیل                                      ۳۰

ترموکوپل نوع T                          مس                                    کنستانتان                                   ۴۶

ترموکوپل نوع R                        پلاتین-رادیوم                               پلاتین                                       ۶۸

ترموکوپل نوع B                        پلاتین-رادیوم                              پلاتین-رادیوم                               ۶۸

ترموکوپل نوع S                        پلاتین-رادیوم                                پلاتین                                     ۶۸

ضریب سیبک میزان خروجی ترموکوپل به ازای یک  C°  تغییر دماست که نشان دهنده حساسیت می باشد.بنابر این حساس ترین ترموکوپل ،ترموکوپل  نوع  E می باشد.

اتصال سری و موازی ترموکوپل ها :

– برای بالا بردن حساسیت ترموکوپل ها ، آنها را به طور سری به هم متصل می کنند.با سری کردن ترموکوپل ها ولتاژ آنها با هم جمع می شود و شیب مشخصه خروجی که بیانگر حساسیت است ، افزایش می یابد.به چند ترموکوپل سری ترموپیل گفته می شود. (شکل A)

– برای افزایش صحت اندازه گیری دما ، ترموکوپل ها را به صورت موازی سربندی می کنند.موازی کردن ترموکوپل ها باعث می شود ولتاژ خروجی ، میانگین ولتاژ تمام ترموکوپل ها باشد.(شکل B)

– ترموکوپل هایی که با هم سری یا موازی می شوند باید از یک نوع باشند.

.