وقتی نوبت به اعتبارسنجی، واجد شرایط بودن، نظارت و اندازه گیری دما بر پروسه های فرآیند صنعتی می‌رسد، مهم است که تفاوت سنسورهای دما به خصوص تفاوت ترموکوپل و RTD را به درستی متوجه شوید. زیرا انتخاب صحیح این تجهیزات بسیار حائز اهمیت است. هر کدام از این تجهیزات ابزار دقیق مزایا و معایب خاص خود را دارند، بنابراین انتخاب مناسب ترین سنسور دما می تواند بسیار حائز اهمیت باشد. در این مقاله تفاوت بین 2 نوع از شناخته شده ترین حسگرهای دمای صنعتی را یاد می گیریم: حسگر دما مقاومتی (RTD) در مقابل حسگر دما ترموکوپل. در این مقاله یادخواهید گرفت که آنها را متمایز کنیم و مهمتر از همه می دانیم که در کدام نوع از برنامه ها از یکی یا دیگری استفاده کنیم.
حسگر دما ترموکوپل
هنگامی که اختلاف دما بین انتهای دو ماده رسانای الکتریکی مختلف وجود دارد که در هر دو انتها برای تشکیل یک حلقه به هم متصل شده‌اند، الکترون‌ها از محل اتصال گرمتر به اتصال سردتر شروع به جریان می‌کنند. این عملکرد، منجر به بار الکتریکی مثبت در اتصال گرمتر و بار منفی در اتصال سردتر می شود و ولتاژ ایجاد می کند. این به عنوان اثر Seebeck شناخته می شود. ترموکوپل ها (Thermocouple)، از این اثر برای اندازه گیری دما استفاده می کنند. یک ترموکوپل از دو نوع مختلف سیم فلزی ساخته می شود که در هر انتها به هم متصل می شوند تا یک مدار تشکیل دهند. هنگامی که تغییر دما در یکی از اتصالات بین رزوه ها رخ می دهد، کشش ایجاد شده توسط اثر Seebeck را می توان برای محاسبه دما اندازه گیری کرد. از آنجایی که ولتاژ در سیم‌های ترموکوپل یک دمای دیفرانسیل را نشان می‌دهد، باید آن را با دمای مرجع مقایسه کرد تا دمای مطلق را در فرآیندی به نام «جبران اتصال سرد» تعیین کرد.
مطلب پیشنهادی: حسگر دما ترموکوپل چیست و چگونه کار میکند
برای ساخت سنسور دما ترموکوپل می توان از ترکیب های مختلفی از سیم های فلزی استفاده کرد و این ترکیب سیم ها است که نوع جفت حرارتی را تعیین می کند. به عنوان مثال، حسگر دما ترموکوپل معمولی نوع K از سیم های کروم و آلومینیوم استفاده می کند. نوع ترموکوپل، و همچنین گیج سیم، محدوده دمایی را که می توان ترموکوپل را برای آن استفاده کرد، تعیین می کند و بر درجه دقت ترموکوپل تأثیر می گذارد.
حسگر دما مقاومتی آر تی دی RTD
آشکارسازهای دمای مقاومتی (RTD)، حسگرهایی هستند که کمیت فیزیکی دما را با استفاده از مقاومت اندازه گیری می کنند. هنگامی که دماسنج آر تی دی گرم می شود، مقاومت سنسور افزایش می یابد. از آنجایی که این یک اثر تکرارپذیر است، تولید مقدار کمی ولتاژ در سنسور مقاومتی و متعاقباً اندازه‌گیری مقاومت در مدار، سبب می‌شود که دما با درجه بالایی از دقت تعیین شود.
RTD ها معمولاً در یک غلاف محافظ فلزی قرار می گیرند. این غلاف ها در سبک های مختلفی موجود هستند تا برای کاربردهای مختلف مناسب باشند. همچنین انواع مختلفی از RTD موجود است، اما ضبط کننده های MadgeTech فقط با انواع پروب PT100 سازگار هستند، که در آن “PT” نشان دهنده ماده (پلاتین) و “100” نشان می دهد که مقاومت در 0 درجه سانتی گراد 100 اهم است.
سنسورهای RTD در انواع 2، 3 و 4 سیمی طراحی و ساخته می شوند. پروب های 4 سیم، بهترین دقت در عین حال گران ترین سنسور در بین انواع دیگر 2 و 3 سیمه هستند، بنابراین توصیه می گردد در صورت امکان، حتماً از RTD های 4 سیمی استفاده کنید.
مطلب پیشنهادی: سنسور RTD چیست و چه کاربردهایی دارد؟
برای لاگرهای MadgeTech، کاوشگرهای 2 سیمه بهترین گزینه بعدی خواهند بود، زیرا اگرچه اکثر کاوشگرهای RTD 3 سیم کار می کنند، MadgeTech نمی تواند دقت پروب های RTD 3 سیم را هنگام استفاده با دستگاه های MadgeTech تضمین کند. تمام ضبط کننده های MadgeTech که یک پروب RTD خارجی را می پذیرند از اتصال دهنده های بلوک ترمینال برای اتصال پروب RTD به ضبط کننده استفاده می کنند.
اصلی ترین تفاوت های ترموکوپل و RTD کدامند؟
در ادامه قصد داریم اصلی تفاوت های بین سنسور ترموکوپل و RTD را بیان نماییم.
خطی بودن (Linearity)
یک سنسور ایده آل یک پاسخ کاملا خطی دارد: تغییر واحد دما منجر به تغییر واحد در ولتاژ خروجی در کل محدوده دمایی سنسور می شود. با این حال، هیچ سنسوری کاملا خطی نیست.
حساسیت (Sensitivity)
حساسیت یک سنسور دما، درصد تغییر در خروجی قابل اندازه گیری را برای یک تغییر معین در دما نشان می دهد. یک سنسور حساس تر، مانند ترمیستور، نسبت به یک سنسور حساس تر دیگر، مانند ترموکوپل، به راحتی می تواند تغییرات جزئی دما را تشخیص دهد.
با این حال، این حساسیت به قیمت خطی بودن تمام می شود. این می تواند عامل مهمی در تعیین انتخاب سنسور ایده آل برای دمایی که اندازه گیری می کنید باشد. اگر قصد دارید تغییرات کسری از یک درجه را در یک محدوده دمایی کوچک ثبت کنید، ترمیستور یا RTD ایده آل تر است. برای ثبت تغییرات دما در محدوده وسیع تری از دماها، ترموکوپل ممکن است کافی باشد. شکل 4 یک ایده نسبی از ولتاژ ارائه می دهد.
زمان پاسخدهی (Response time)
زمان پاسخدهی، میزان اندازه گیری زمانی است که یک سنسور برای پاسخ به تغییرات دما طول می کشد. عوامل زیادی می توانند باعث افزایش یا کاهش زمان پاسخدهی شوند. به عنوان مثال، یک ترمیستور یا RTD، زمان پاسخدهی کمتری نسبت به یک ترمیستور کوچکتر دارد. در ازای این اشکال و شنت حرارتی ضعیف تر، یک RTD یا ترمیستور بزرگتر کمتر مستعد گرم شدن خود است.
خطاها به طور مشابه، اتصالات ترموکوپل غیر زمین شده (Ungrounded)، زمان پاسخ آهسته‌تری را در ازای جداسازی الکتریکی ارائه می‌دهند.
ثبات (Stability)
پایداری سنسور دما نشان دهنده توانایی آن در حفظ خروجی ثابت در دمای معین است. متریال، نقشی کلیدی در پایداری یک حسگر دما معین ایفا می کند. حسگرهای دما مقاومتی RTD، از ماده پلاتین ساخته می شوند. به همین دلیل و همچنین برای اطمینان از واکنش پذیری کم ساخته می شوند. با این حال، بستری که پلاتین به آن متصل می گردد، ممکن است تحت قرار گرفتن طولانی مدت در دمای بالا تغییر شکل دهد، که می تواند باعث ایجاد فشار اضافی و غیرمنتظره شود که منجر به تغییر در مقاومت اندازه گیری شده می شود.
دقت اندازه گیری (Acuracy)
مانند هر پروسه فرآیند، میزان ئقت اندازه گیری به منظور حصول اطمینان از نتایج قابل اعتماد بسیار حائز اهمیت است. انتخاب حسگر دما و سخت افزار اندازه گیری شما، نقش مهمی در دقت اندازه گیری مطلق دارد، اما جزئیات کوچکتر مانند کابل کشی، نزدیکی نسبی به تجهیزات دیگر، محافظ، زمین و غیره همگی می توانند بر دقت اندازه گیری تاثیر بگذارند. هنگام انتخاب یک حسگر دما، به تلورانس های مشخص شده و هر عاملی که ممکن است بر آن مشخصات تأثیر بگذارد توجه داشته باشید. بعلاوه در انتخاب سنسور دما و دستگاه اندازه گیری با دقت های مشابه دقت کنید. RTD با تحمل محدود هزینه بیشتری دارد، اما اگر از یک دستگاه اندازه گیری با کیفیت پایین استفاده کنید، ممکن است به دقت اضافی دست یابید.
ماندگاری و پایداری (Durability)
برای اطمینان از فعال ماندن سنسورهای دمایی شما در طول مدت پروسه فرآیند، باید محیطی را که در آن به کار می برید، بشناسید. برخی از سنسورها (مثلاً ترموکوپل ها) به دلیل ساختارشان دوام بیشتری دارند. فلزات انتخاب شده برای یک جفت حرارتی خاص، با این حال، مقاومت های متفاوتی در برابر خوردگی دارند. علاوه بر این، یک سنسور محصور شده در یک ماده معدنی جداکننده و یک غلاف محافظ فلزی که در برابر سایش و خوردگی در طول زمان مقاوم‌تر است، اما هزینه بیشتری دارد و حساسیت کمتری را ارائه می دهد. همچنین باید توجه داشته باشید که پیکربندی‌های مختلف سنسور ممکن است برای اطمینان از اتصال فیزیکی و حرارتی مستحکم نیاز به نصب داشته باشند.
قیمت نهایی (Price)
مانند هر جنبه ای از یک پروژه، هزینه یا قیمت نهایی می تواند یک عامل محدود کننده اصلی باشد. به عنوان مثال، در برنامه های کاربردی با تعداد کانال بالا، مزایای خطی بودن RTD ها ممکن است با افزایش نسبی هزینه در مقابل ترموکوپل ها جبران گردد. هنگام در نظر گرفتن هزینه کل سیستم، باید هزینه اضافی سیم کشی، نصب و تنظیم سیگنال را نیز در نظر بگیرید.
نتیجه گیری
در این مقاله درباره مبحث تفاوت ترموکوپل و RTD صحبت کردیم. لازم بذکر است، ما باید درک کنیم که هر سنسور دما فارغ از هر نوعی که باشد، تو شرایط مختلفی مورد استفاده قرار می گیرد،کاوشگر یا ردیاب دمای مقاومتی نوع RTD، به طور خاص برای آن دسته از مصارفی است که میزان محدوده دما از 200- الی 600+ درجه سانتیگراد متغیر است. آر تی دی ها (PT100، PT500, PT1000)، دقت اندازه گیری فوق العاده خوبی نسبت به سنسورهای دما ترموکوپل دارند. اما در شرایط یا فرآیندهایی که نیاز به دمای بالاتر بالای 600 درجه دارند از دماسنج Thermocouple استفاده خواهیم کرد. یکی دیگر از مزایای جفت های حرارتی این است که زمان پاسخگویی سریعی دارد و در برابر لرزش های مکانیکی مقاوم است.
