کار آشکارسازهای دمای مقاومتی

اصل کار آشکارسازهای دمای مقاومتی (RTD)

دستگاه های اندازه گیری دما با مقاومت حرارتی

تغییر دما باعث تغییر مقاومت الکتریکی یک ماده می شود. تغییر مقاومت برای پی بردن به تغییر دما اندازه گیری می شود.

دو نوع دستگاه اندازه گیری مقاومت حرارتی وجود دارد:

• آشکارسازهای دمای مقاومتی (RTD) و
• ترمیستور

ردیاب های مقاومتی دما

یک آشکارساز درجه حرارت مقاومتی (به اختصار RTD) اساساً یا سیم فلزی با قطر کوچکی است که در یک سیم پیچ پیچیده شده است یا یک شبکه حکاکی شده روی یک زیرلایه، بسیار شبیه یک کرنش سنج. پلاتین رایج ترین فلزی است که برای RTD ها استفاده می شود.

اصل عملیات

دتکتورهای دمای مقاومتی (RTD) بر اساس این اصل عمل می کنند که مقاومت الکتریکی یک فلز به طور قابل پیش بینی به صورت اساساً خطی و قابل تکرار با تغییرات دما تغییر می کند. RTD دارای ضریب دمایی مثبت است (مقاومت با دما افزایش می یابد). مقاومت عنصر در دمای پایه متناسب با طول عنصر و معکوس سطح مقطع است.

یک مدار الکتریکی معمولی که برای اندازه‌گیری دما با RTD طراحی شده است، در واقع تغییر در مقاومت RTD را اندازه‌گیری می‌کند، که سپس برای محاسبه تغییر دما استفاده می‌شود. . مقاومت یک RTD با افزایش دما افزایش می یابد، همانطور که مقاومت یک کرنش سنج با افزایش کرنش افزایش می یابد.

ساخت مدار پل

شکل زیر یک مدار پل اساسی را نشان می دهد که از سه مقاومت شناخته شده R1، R2 و R3 (متغیر)، یک مقاومت متغیر ناشناخته RX (RTD)، یک منبع ولتاژ تشکیل شده است. و یک آمپرمتر حساس.

مقاومت‌های R1 و R2 بازوهای نسبت پل هستند. آنها دو مقاومت متغیر را برای جریان جریان از آمپرمتر نسبت می دهند. R3 یک مقاومت متغیر است که به عنوان بازوی استاندارد شناخته می شود که برای مطابقت با مقاومت ناشناخته تنظیم می شود. آمپرمتر حسگر به صورت بصری جریانی را که از مدار پل می گذرد نمایش می دهد. تجزیه و تحلیل مدار نشان می دهد که وقتی R3 طوری تنظیم می شود که آمپرمتر جریان صفر را می خواند، مقاومت هر دو بازوی مدار پل یکسان است. رابطه مقاومت بین دو بازوی پل را می توان به صورت

عملیات مدار پل RTD

یک مدار ساده، مدار پل چهارم وتستون است که در اینجا پل RTD دو سیمه < نامیده می شود. em>مدار.

 

R_سرب نشان دهنده مقاومت یکی از سیم ها (به نام سیم های سرب) است که از پل به RTD می رود. خود مقاومت سرب در مدارهای استرین گیج اهمیتی نداشت زیرا R_سرب همیشه ثابت می ماند.

اما برای مدارهای RTD، برخی از بخش‌های سیم‌های سرب در معرض تغییر دما قرار دارند. از آنجایی که مقاومت سیم فلزی با دما تغییر می کند، R _lead با T تغییر می کند که می تواند باعث خطا در اندازه گیری شود. این خطا می تواند بی اهمیت باشد – تغییرات در مقاومت سرب ممکن است به اشتباه به عنوان تغییر در مقاومت RTD تعبیر شود. علاوه بر این، در مدار پل دو سیمه RTD که در بالا نشان داده شده است، دو سیم سرب وجود دارد که خطا را دو برابر می کند. مدار هوشمندی که برای حذف خطای مقاومت سیم سرب طراحی شده است مدار پل RTD سه سیم نامیده می شود. مدار پل RTD سه سیمه در زیر نشان داده شده است.

کلاس

 

این هنوز مدار یک چهارم پل است، زیرا تنها یکی از چهار مقاومت پل با RTD جایگزین شده است. با این حال، یکی از سیم های سربی به جای پایه R₃ روی پایه R₂ پل قرار گرفته است.

برای تجزیه و تحلیل این مدار، فرض کنید که R₁ = R₄، و R₂ = R₃ در ابتدا، زمانی که پل متعادل است. فرمول کلی پل وتستون را به یاد بیاورید:

 

توجه کنید که R₃ و R₂ در معادله بالا دارای علائم متضاد هستند. بنابراین، اگر مقاومت سیم سربی در پایه ۲ (بالا) و در پایه ۳ (پایین) یکسان باشند، مقاومت‌های سرب یکدیگر را خنثی می‌کنند، بدون توری بر روی ولتاژ خروجی تأثیر می گذارد، بنابراین خطا را حذف می کند.

در مورد مقاومت سوم سرب، R_سرب سیم میانی چطور؟ خوب، از آنجایی که V_o با یک دستگاه امپدانس تقریبا بی نهایت اندازه گیری می شود، هیچ جریانی در سیم سرب وسط جریان نمی یابد، بنابراین مقاومت آن بر چیزی تأثیر نمی گذارد!

مدار معادلی که دوباره ترسیم شده است ممکن است به توضیح علت خنثی شدن مقاومت های سرب کمک کند:

در نمودار بالا، واضح است که اگر R_lead به طور مساوی در پایه ۲ و پایه ۳ پل تغییر کند، اثر آن از بین می رود.< /p>

مواد RTD & ساخت و ساز

RTD تا حدودی مانند یک مبدل الکتریکی عمل می کند و با اندازه گیری مقاومت، تغییرات دما را به سیگنال های ولتاژ تبدیل می کند. فلزاتی که برای استفاده به عنوان حسگرهای RTD مناسب‌تر هستند، فلزات خالص یا آلیاژهای خاصی با کیفیت یکنواخت هستند که با افزایش دما، مقاومت آن‌ها افزایش می‌یابد و با کاهش دما، مقاومت کاهش می‌یابد. فقط تعداد کمی از فلزات دارای خواص لازم برای استفاده در عناصر RTD هستند. مواد متداول مورد استفاده در حسگر RTD عبارتند از سیم BALCO، مس، پلاتین.

• BALCO – یک حسگر ساخته شده با استفاده از سیم BALCO یک آلیاژ مقاومت آنیل شده با ترکیب اسمی ۷۰ درصد نیکل و ۳۰ درصد آهن است. یک عنصر مقاومت ۵۰۰ اهم BALCO یک تغییر مقاومت نسبتا خطی از -۴۰ تا ۲۵۰ درجه ایجاد می کند. سنسور یک دستگاه کم جرم است و به سرعت به تغییرات دما پاسخ می دهد. هنگامی که ۱۰۰۰ اهم در سراسر عنصر BALCO اندازه گیری می شود، دما تقریبا ۷۰ درجه فارنهایت است. با افزایش دما، مقاومت ۲٫۲ اهم در هر ۱ درجه فارنهایت تغییر می کند. این منحنی ضریب مقاومت دما (منحنی TCR) نامیده می شود. در BALCO، از آنجایی که مقاومت رابطه مستقیمی با دما دارد، یعنی با افزایش دما، مقاومت به نسبت افزایش می یابد. محدوده معمول اندازه گیری دما با BALCO 40- تا ۲۴۰ درجه فارنهایت است.
• پلاتین – حسگرهای RTD با استفاده از مواد پلاتین پاسخ خطی و پایداری را در طول زمان نشان می‌دهند. در برخی کاربردها از سیم کوتاهی برای ارائه مقاومت اسمی ۱۰۰ اهم استفاده می شود. با این حال، با مقدار مقاومت کم، خودگرم شدن المنت و مقاومت سیم سنسور می تواند بر روی نشانگر دما تأثیر بگذارد. با مقدار کمی تغییر مقاومت عنصر، باید از تقویت اضافی برای افزایش سطح سیگنال استفاده شود. سنسور فیلم پلاتین روی یک پایه عایق مقاومت بالایی در برابر ۱۰۰۰ اهم در دمای ۷۴ درجه ایجاد می کند با این مقاومت بالا، سنسور نسبتاً نسبت به خود گرمایش مصون است و به سرعت به تغییرات دما پاسخ می دهد. عناصر RTD از این نوع رایج هستند.

این فلزات به دلیل ویژگی های خطی مقاومت-دما (همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است)، ضریب مقاومت بالای آنها، و توانایی آنها در تحمل دمای مکرر، برای کاربردهای RTD مناسب هستند. چرخه ها ضریب مقاومت تغییر در مقاومت به ازای درجه تغییر دما است که معمولاً به صورت درصد بر درجه دما بیان می شود. ماده مورد استفاده باید قابلیت کشیده شدن به سیم ریز را داشته باشد تا بتوان عنصر را به راحتی ساخت.

 

نسخه های مس و نیکل در محدوده دمایی پایین تری کار می کنند و قیمت کمتری نسبت به پلاتین دارند. پلاتین به دلیل دامنه دمایی وسیع (۲۰۰- تا ۸۵۰ درجه سانتی گراد)، تکرارپذیری عالی، پایداری و مقاومت در برابر مواد شیمیایی و خوردگی، همه کاره ترین ماده است.

عناصر RTD معمولاً سیم‌های بلند و فنری هستند که توسط یک عایق احاطه میشوند و در غلاف فلزی محصور شده‌اند. شکل زیر ساخت داخلی یک RTD را نشان می دهد.

این طرح خاص دارای یک عنصر پلاتین است که توسط یک عایق چینی احاطه شده است. عایق از اتصال کوتاه بین سیم و غلاف فلزی جلوگیری می کند. اینکونل، یک آلیاژ نیکل، آهن و کروم است که به دلیل مقاومت ذاتی در برابر خوردگی، معمولاً در ساخت غلاف RTD استفاده می شود. هنگامی که غلاف Inconel در یک محیط مایع یا گاز قرار می گیرد، به سرعت به دمای محیط می رسد. تغییر دما باعث گرم شدن یا سرد شدن سیم پلاتین می‌شود و در نتیجه تغییر متناسبی در مقاومت ایجاد می‌شود.

مزایا: مقاومت خطی با دما، پایداری خوب، محدوده وسیع دمای عملیاتی قابل تعویض در محدوده دمایی وسیع

معایب: تغییر مقاومت کوچک با دما، پاسخ‌ها ممکن است آهسته‌تر باشد، منوط به گرمایش خود، فرستنده یا سه تا چهار سیم سیم برای جبران مقاومت سرب لازم است. ، برق مدار خارجی مورد نیاز است

• RTD ها معمولاً برای سنجش دمای هوا و مایع در لوله ها و مجاری و به عنوان سنسور دمای اتاق استفاده می شوند. مقاومت عناصر RTD بسته به دما متفاوت است. برخی از عناصر تغییرات مقاومت زیادی، تغییرات خطی یا هر دو را در محدوده دمایی وسیع نشان می‌دهند.
• تغییر ولتاژ در المان حسگر، مقاومت سنسور را تعیین می کند. برق ارائه شده برای این منظور می تواند باعث گرم شدن جزئی المنت شود و می تواند عدم دقت در اندازه گیری دما ایجاد کند. کاهش جریان منبع تغذیه یا استفاده از عناصر با مقاومت اسمی بالاتر می‌تواند اثر گرمایش خود را به حداقل برساند.
• مقاومت برخی از عناصر RTD به ۱۰۰ اهم می رسد. در این موارد، مقاومت سیم‌های سربی که RTD را به کنترل‌کننده متصل می‌کنند، ممکن است به میزان قابل توجهی به مقاومت کل RTD متصل شده اضافه کند و در اندازه‌گیری دما خطا ایجاد کند. به عنوان مثال، سنسوری که در فاصله ۲۵ فوتی کنترلر قرار گرفته است، دارای سیم کنترل مسی ۲۵×۲ = ۵۰ فوت است. اگر یک سیم کنترل دارای مقاومت DC 6.39 اهم بر فوت باشد، سیم ۵۰ فوت باید مقاومت کلی dc 0.319 اهم داشته باشد.
• در صورتی که سنسور یک سنسور پلاتین ۱۰۰ اهم با ضریب دمایی ۰٫۶۹ اهم بر درجه فارنهایت باشد، ۵۰ فوت سیم خطای ۰٫۴۶ درجه فارنهایت را ایجاد می کند. اگر سنسور یک سنسور پلاتین ۳۰۰۰ اهم با ضریب دمایی ۰٫۴۶ درجه فارنهایت باشد. ۴٫۸ اهم در درجه فارنهایت، ۵۰ فوت سیم خطای ۰٫۰۶۶ درجه فارنهایت ایجاد می کند.

بنابراین مقاومت عنصر حسگر کمتر است، احتمال خطا بیشتر خواهد بود. خطاهای قابل توجه را می توان با تنظیم یک تنظیم کالیبراسیون بر روی کنترل کننده حذف کرد، یا اگر کنترل کننده برای آن طراحی شده است، سیم سوم را می توان به سنسور راه اندازی کرد و به مدار جبران کننده ویژه ای متصل کرد که برای حذف اثر طول سرب در اندازه گیری طراحی شده است. .

همچنین بخوانید: اصل کاری ترموکوپل

در صورت هرگونه سوال و نظر با مجموعه پرگاران تماس حاصل فرمایید.

جهت کسب اطلاعات بیشتر اینجا کلیک کنید.