سنسور دمای PT100 چیست؟

سلام .در این مقاله به معرفی سنسورهای RTD و PRT میپردازیم. همچنین سنسورهای دمای PT100 که از پر کاربردترین سنسورها در صنعت هستند را به طور کامل معرفی کرده و نحوه اندازه گیری دما با این سنسورها را آموزش میدهیم.

سنسورهای RTD

ار آنجایی که سنسور PT100 نوعی سنسور RTD است، ابتدا به معرفی سنسورهای RTD میپردازیم.

RTD خلاصه شده ی عبارت “Resistance Temperature Detector” است؛ نوعی سنسور دما که مقاومت آن به دما بستگی دارد. هنگامی که دما تغییر میکند، مقاومت سنسور نیز تغییر میکند. بنابراین، میتوانیم با اندازه گیری مقاومت، دما را اندازه گیری کنیم.

سنسورهای RTD معمولا از پلاتین، مس، آلیاژ های نیکل یا اکسیدهای مختلف فلزی ساخته میشوند.

سنسورهای PRT

پلاتین متدوال ترین ماده برای استفاده در سنسور های RTD است. رابطه بین مقاومت و دما در پلاتین، قابل اعتماد، قابل تکرار و خطی است. سنسور های RTD ای که از پلاتین ساخته شده اند را PRT می گویند که خلاصه شده ی Platinum Resistance Thermometer (“دما سنج مقاومتی پلاتینی”) است. سنسور Pt100 بیشترین سنسور مورد استفاده از نوع PRT در صنعت است. عدد 100 در اسم این سنسور نشان می دهد که در 0 درجه سانتی گراد مقاومتی برابر با 100 اهم دارد.

PRT در مقابل ترموکوپل

ترموکوپل ها به عنوان سنسور دما در بسیاری از صنایع استفاده می شوند. اما تفاوت ترموکوپل با سنسور های PRT چیست؟
در اینجا مقایسه کوتاهی بین سنسور های PRT و ترموکوپل آورده شده است:
ترموکوپل ها:
1 – اندازه گیری دماهای خیلی بالا
2 – بسیار قوی
3 – ارزان
4 – نیاز به تحریک بیرونی ندارند
5 – دقیق نیستند
6 – نیاز به جبران اتصال سرد دارند
7 – سیم های فرمت باید از نوع قابل استفاده برای ترموکپل باشند
8 – توجه به همگنی دما در مدار اندازه گیر
9 – ناهمگنی در سیم ها ممکن است باعث خطاهای غیر منتظره شود

PRT :
1 – بسیار دقیق تر هستند، خطی و پایدار تر از ترموکوپل
2 – به اتصال سرد نیاز ندارند
3 – سیم های اتصال دهنده می تواند از نوع مس باشند
4 – گرانتر
5 – به یک جریان تحریک شناخته شده مناسب نیاز دارند

6-آسیب پذیرتر هستند

به طور خلاصه میتوانیم بگوییم که که ترموکوپل ها برای کاربرد های صنعتی در دمای بالا مناسب تر از PRT ها هستند و PRT ها برای کاربرد های دقیق تر مناسب تر هستند.

اندازه گیری با سنسور های RTD/ PRT

از آنجایی که مقاومت سنسور های RTD با تغییرات دما تغییر می کند، بسیار واضح است که وقتی با سنسور های RTD دما را اندازه گیری می کنید، نیاز به اندازه گیری مقاومت دارید. می توانید مقاومت را بر حسب اهم محاسبه کنید و بعد با توجه به نوع RTD استفاده شده ، (با استفاده از جدول یا فرمول ) آن را به دما تبدیل کنید.

معمولا از یک دستگاه اندازه گیری دما یا کالیبراتور برای تبدیل مقاومت اندازه گیری شده به دما به صورت خودکار، استفاده میکنیم. (با فرض اینکه دستگاه از نوع RTD استفاده شده پشتیبانی میکند). البته اگر نوع RTD اشتباه در دستگاه استفاده شده باشد ، باعث اشتباه در اندازه گیری دما می شود.
روش های مختلفی برای اندازه گیری مقاومت وجود دارد. شما می توانید از اتصال 2، 3 یا 4 سیم استفاده کنید. اتصال 2 سیم تنها برای استفاده در مواردی که دقت اهمیت کمتری دارد(عیب یابی) مناسب است زیرا هر مقاومت سیم یا اتصال مقاومت باعث خطا در اندازه گیری میشود . در بقیه موارد عادی اندازه گیری باید از 3 یا 4 سیم اندازه گیری استفاده شود.برای مثال استاندارد IEC 60751 مشخص می کند که هر سنسور با دقت بیشتر از کلاس B باید از 3 یا 4 سیم برای اندازه گیری استفاده
کند.
قطعا برای بعضی از ترمیستور های ادمیتانس بالا، سنسور های Pt1000 یا بقیه سنسور های ادمیتانس بالا خطای اندازه گیری با استفاده از 2 سیم قابل چشم پوشی است.

جریان اندازه گیری :

زمانی که دستگاهی در حال اندازه گیری مقاومت است، یک جریان بسیار دقیق کوچکی را از طریق مقاومت ارسال می کند و سپس افت ولتاژ ایجاد شده روی آن را اندازه گیری می کند. سپس میتوانیم مقاومت را طبق قانون اهم با تقسیم ولتاژ به جریان ، بدست آوریم.

خود گرمایشی (self-heating) :
هنگامی که جریان از از سنسور RTD عبور می کند باعث گرم شدن سنسور RTD می شود. به این پدیده خود گرمایشی می گویند. هر چه جریان اندازه گیری شده بیشتر و مدت زمان بیشتری روشن باشد سنسور بیشتر گرم می شود. همچنین ساختار سنسور و مقاومت گرمایی تاثیر به سزایی در خود گرمایی دارد. واضح است که این نوع گرم شدن در سنسور دمایی باعث ایجاد خطای اندازه گیری کوچکی می شود. بیشترین جریان اندازه گیری در یک سنسور Pt1000 معمولا 1 میلی آمپر است، اما میتواند اندازه کوچکتری نیز داشته باشد. بر طبق استانداردها خود گرمایشی نباید از 25 % تلرانس سنسور بیشتر باشد.

دیگر سنسورهای RTD

دیگر حسگر های پلاتینی:

اگر چه Pt100 رایج ترین سنسور پلاتینی است ، سنسور های پلاتینی دیگری نیز وجود دارند مانند : Pt25 , Pt 50 ,Pt 200
Pt 500, Pt 1000 . تفاوت اصلی بین سنسور ها به سادگی قابل حدس زدن است ، و آن مقاومت در دمای 0 درجه سانتی گراد است که در نام سنسور ذکر شده است. برای مثال یک سنسور Pt1000 در دمای 0 درجه , مقاومتی برابر با 1000 اهم دارد .
همچنین دانستن ضریب دما امری بسیار مهم است زیرا در دماهای دیگر بر روی مقاومت تاثیر می گذارد. اگر سنسور یک سنسور (Pt1000 (385 باشد، میتوان از نام آن فهمید که ضریب دمایی برابر با 0.00385  دارد.

دیگر سنسور های RTD :

اگرچه سنسور های پلاتینی رایجترین سنسور ها هستند، اما سنسور های دیگری نیز از جنس نیکل و نیکل-آهن و مس وجود دارند. متدوال ترین سنسور های نیکلی Ni100 و Ni20 ، سنسور های نیکل آهن Ni-Fe 604 و سنسور های مسی Cu 10 هستند. این سنسور ها هر کدام مزایا و معایب خاص خود را دارند. از رایجترین معایب این نوع سنسور ها خوردگی و بازه ی نسبتا محدود دما  در مقایسه با فلز نجیب پلاتین است.

سنسور های RTD همچنین می توانند از مواد دیگری همچون طلا، نقره، تنگستن، رودیم _آهن و یا ژرمانیوم ساخته شوند. این دسته از سنسور ها برای برخی کاربردها بسیار عالی هستند اما برای کاربردهای متداول در صنعت زیاد استفاده نمیشوند.
از آنجایی که مقاومت سنسور RTD وابسته به دما است، می توان سنسور های PTC و NTC را در این دسته قرار دهیم. برای نمونه ترمیستور ها و نیمه هادی ها که برای اندازه گیری استفاده می شوند. انواع NTC برای اندازه گیری دما بسیار رایج است.

سنسور های Pt100 :

ضریب دمایی

ضریب دمایی در سنسور PT100

بیشتر سنسور های RTD که در صنعت مورد استفاده قرار میگیرندT مقاومتی برابر با 100 اهم در صفر درجه سانتی گراد دارند.
با همین روش نامگذاری ، سنسور Pt 200 مقاومتی برابر با 200 اهم و سنسور Pt 1000 مقاومتی برابر با 1000 اهم در دمای صفر درجه دارد. مقاومت سنسور pt100 در دماهای بالا به نوع سنسور Pt100 بستگی دارد ، همانطور که Pt100 انواع مختلفی دارد ضرایب دمایی متفاوتی هم دارند.
عموما رایجترین نوع سنسور PT100، نوع 385 است. اگر در نام سنسور ضریب گرمایی ذکر نشده باشد ضریب گرمایی 385 خواهد بود. ضریب گرمایی سنسور Pt100 اختلاف مقاومت در دمای 100 درجه و صفر درجه تقسیم بر مقاومت در صفر درجه ضربدر 100 درجه سانتیگراد است.

به طوری که :

α ضریب دمایی

R100 مقاومت در 100 درجه سانتیگراد

R0  مقومت در صفر درجه سانتیگراد است.

ضریب دمایی بیشتر به خلوص پلاتین مورد استفاده در سیم بستگی دارد. هرچه پلاتین خالص تر باشد مقدار ضریب دمایی بالاتر است. امروزه تهیه مواد پلاتین بسیار خالص خیلی سخت نیست. برای اینکه سنسور ها منحنی دما مقاومت استاندارد را براورده کنند باید پلاتین خالص را با ناخالصی های مناسب ترکیب کرد تا مقدار آلفا به 0.00385 کاهش یابد.

ارتباط مقاومت دمایی Pt100 :

در نمودار زیر می توانید ببینید که چطور مقاومت یک سنسور Pt100 وابسته به دما است:

ارتباط دما و مقاومت در سنسور PT100

با توجه به نمودار می بینید که رابطه بین مقاومت و دما کاملا خطی نیست اما تا حدودی منحنی است.

جدول زیر دمای (Pt100 (385 را به ازای مقادیر عددی مقاومت در چند نقطه نشان می دهد: