سنسورهای دما

مقدمه:

هدف این طلب آشنایی مخاطب با فرآیند کنترل دما در خطوط تولید و نهایتا آشنایی با انواع کنترل و نحوه استفاده آنها خواهد بود. برای پیشبرد هر چه بهتر این موضوع از تعاریف و مفاهیم اولیه آغاز خواهیم کرد و به بخش های کاربردی خواهیم رسید.

1. سنسورهای دما
   1. انواع سنسورهای دما و کاربردهای آن : RTD، NTC، PTC، ترموکوپل
   1. نحوه انتخاب سنسور
   1. مقایسه سنسورها

سنسور دما

انواع سنسورهای دما و کاربردهای آن

این سنسور دما و حرارت را اندازه گیری به سیگنال های الکترونیکی قابل تشخیص برای تجهیزات کنترلی تبدیل میکند. سنسورهای دما به دلیل گستردگی در کاربرد انواع مختلفی دارند:

1. RTD: خروجی این نوع سنسور از جنس مقاومت می باشد، یعنی واحد اندازه گیری آن اهم است. RTD ها جزو سنسورهای فعال هستند یا active هستند. یعنی برای اینکه خروجی داشته باشند نیاز به ولتاژ تحریک و یا تغذیه دارند.
2. انواع RTD:  PT-100، PT-500، PT-1000،…  

رنج کلی سنسورهای RTD بین 640+ ~199.9- درجه سانیتگراد است. که به ازای هر دمایی مقاومتی را نشان میدهد. بسته به نوع ساخت و سازنده آن انواع RTD و PT درون کران فوق قرار میگیرند. نوع PT ها بر حسب مقاومتی که نشان میدهند، متفاوت می شود. برای مثال PT-100 در دمای  0 درجه سانتی گراد 100 اهم را نشان میدهد و pt-1000 در دمای 0 درجه سانتی گراد مقاومت 1000 اهم را نشان میدهد.

• طبقه بندی RTDها: دو نوع کلاس بندی برای RTD ها وجود دارد:

کلاس آلفا : α و کلاس بتا: β

α= 0.015+0.002t

β= 0.3+0.005t

در دمای 0 درجه سانتیگراد در کلاس α به میزان 0.015 ± خطا خواهیم داشت و در همین دما در کلاس β میزان  0.3 ± خطا خواهیم داشت. هر چه دما بیشتر شود، بازه خطا نیز بیشتر می شود و این بدان معناست که کلاس α دقت بیشتری خواهیم داشت.

• نوع سیم بندی RTD: سه دسته مختلف وجود دارد: دوسیم، سه سیم، چهار سیم. دو سیم کمترین میزان دقت را دارد و چهار سیم بیشترین میزان دقت. و معمولا از سه سیم آن استفاده می شود. اختلاف دقت به علت میزان توزیع مقاومت در بین سیم ها است، در سه سیم دو تا از سیم ها یک رنگ دارند و یک سیم هم رنگ مجزا. دو سیم که رنگ یکسان دارند از یک جا انشعاب گرفته شده اند. نوع سیگنال های RTD ها آنالوگ است.

بدنه این نوع سنسورها از ترمول و غلاف است که بسته به نوع محیط مورد استفاده ظاهر آن عوض می گردد.  بدنه ها نیز معمولا دو مدل هستند: هدمونت که کلگی دارد وو نوع اینزرتی که مدادی شکل است.

1. سنسورهای NTC  و PTC:
2. NTC و یا Negative Temperature Coefficient: این دسته از سنسورها جزء سنسورهای اکتیو هستند، با افزایش دما با توجه به ضریب منفی داده شده خروجی کاهش پیدا میکند.
3. PTC و یا Positive Temperature Coefficient: با افزایش دما با توجه به ضریب مثبت تعریف شده با افزایش دما خروجی نیز افزایش پیدا میکند.

در رابطه به رفتار خطی و یا غیرخطی سنسورها، سازندگان تمایل به خطی بودن آن دارند، ولی دربسیاری از موارد این اتفاق فقط در بازه از دما اتفاق می افتد.

این نوع از سنسورها نیز خروجی مقاومت دارند.

1. ترموکوپل: این سنسورها جز دسته پسیو هستند . خروجی آنها از جنس میلی ولت می باشد. این نوع از سنسورها از دو نوع فلز ساخته می شوند که در یک نقطه به بکدیگر متصل شده اند و وقتی دما افزایش و یا کاهش پیدا می کند، خروجی آنها بر حسب میلی ولت تغییر میکند. این نوع از سنسور های تیپ های مختلفی دارند: K, J, I, R, T,…. معروف ترین آنها تیپ K  می باشد که رنج دمای آنها بین 200- ~1370+ درجه سانتیگراد است. تشخیص نوع سنسورها از طریق مولتی مترها امکان پذیر است. بسته به اینکه در مجاورت دما مقاومت و یا mv در خروجی آنها قابل اندازه گیری باشد می توان نوع آن را تشخیص داد. باز هم برای ترموکوپل ها بنا بر شرکت سازنده ،رنج دمای قابل اندازه گیری، متفاوت می باشد ولی درون بازه استاندارد تعریف شده برای هر تیپ است.

در هنگام نصب ترموکوپل باید دقت شود چرا که جا به جا بستن سیم های سنسور سبب نشان دادن خروجی دارای خطا می شود. اگر این سیم ها جا به جا بسته شوند به عنوان مثل در دمای 100 در جه سانتی گراد به جای نشان دادن 4.7+ ، عدد 4.7- نمایش داده خواهد شد.

همچنین بنا به جا و کاربرد های مختلف، تیپ های مختلفی استفاده می شود. این تیپ ها در رنج های قابل اندازه گیری متفاوت هستند. برای مثال تیپ J  تا 750+ درجه سانتی گراد و تیپ N  از200- ~1300+ درجه سانتیگراد  و R از 0- ~1400+  درجه سانتیگراد قابل استفاده هستند.

آلیاژ استفاده شده در سیم ها نیکل-کرم و نیکل آلومینیوم است.

نحوه انتخاب سنسور:

رنج و دقت اندازه گیری دما تعیین کننده انتخاب نوع سنسور است. برای مثال در دمای   میتوان از RTD و تیپ T و یا تیپ K، و … استفاده کرد. ولی وقتی مطرح می شود که دقت اندازه گیری 2.5 و یا 3 درجه سانتی گراد باشد گزینه ترموکوپل حذف خواهد شد چون ترموکوپل ها بازه بزرگی از دما را اندازه گیری میکنند، به مراتب خطای بیشتری نیز دارند. بازه اندازه گیری آنها بین 200- ~ 1300+ درجه سانتیگراد می باشد.

مقایسه سنسورها:

RTD رفتار قابل اطمینان و همچنین رفتار خطی با دقت مناسب دارند. ولی لخت و کند هستند. و سرعت انتقال پایینی دارند. چون اکتیو هستند و نیاز به ولتاژ تحریک دارند، پروسه کند تر پیش میرود. برعکس ترموکوپل ها چون ذاتی هستند، سرعت انتقال بالاتر و دقت پایین تری دارند.

در برخی از کنترلر های دما مثل ED6 در هانیانگ حتما باید نوع ورودی را مشخص کرد. مثلا RTD و یا ترموکوپل. همچنین کد روی هر محصول نوع سنسور را مشخص میکند برای مثال در هانیانگ ED6-FPMA حرف نشان دهنده نوع کنترل دو نقطه ای یا روشن و خاموش است (رله ) و P نشان دهنده نوع سنسور     PT-100 است و یا ED6-PKMA حرف P نشان دهنده نوع کنترل پروپوشنال و K نشان دهنده ترموکوپل تیپ K است. بنابراین، برخی از ترموستات ها نیاز به تعیین نوع سنسور دارند ولی برخی هستند که قابلیت اتصال به چندین نوع را دارند که به آنها MULTI INPUT گفته می شود. دقت داشته باشید که این به معنای چند ورودی بودن کنترلر نیست، بلکه به معنای قابلیت استفاده چند نوع سنسور در ورودی است.