حسگر دمای مقاومتی

تاریخچه

در سال ۱۹۹۹، نیکولاس و لی حسگر لمسی را به صورت زیر توصیف کردند: دستگاهی که می‌تواند خواص داده شده از جسمی که با آن دارای تماس فیزیکی است را اندازه‌گیری کند. البته در رباتیک تنها به ویژگی‌های مکانیکی آن بسنده می‌شود و خواصی چون رطوبت و دما زیاد مورد بحث قرار نمی‌گیرد.
اهمّیّت حسگرهای لمسی در دههٔ ۸۰ میلادی زمانی که تلاش‌هایی برای ایجاد قابلیت تشخیص و درک در رایانه‌ها و ربات‌ها صورت گرفت، شناخته شد. با وجود این آگاهی باز هم حسگرهای لمسی نتوانستند موفقیت چشمگیری در حوزه صنعت یا تجارت کسب کنند.
به ثمر رسیدن فناوری حسگرهای لمسی حدود ۳۰ سال به طول انجامید. برخی از محققان اوّلیّه در این زمینه، مانند هارمان، قابلیت و توانایی حسگرهای لمسی را بیشتر در حوزه رباتیک می‌دیدند و تصور می‌کردند این حسگرها نمی‌توانند در محیط‌های پزشکی یا کشاورزی به‌طور مناسب عمل کنند، در حالی که در همان زمان نوینس و وایتنی در مورد حوزه‌های مختلف عملکرد حسگرهای لمسی و کاربردهای آن به توافقاتی رسیدند که مهم‌ترین آن‌ها ربات‌های پزشکی و صنعتی بود.
این حسگرها باید با محیط اطراف خود تماس پیدا کنند، این موضوع موارد استفاده از آن‌ها را محدود به شرایطی می‌کند که این تماس به حسگر آسیبی نزند و آن را دچار مشکل نکند. برای مثال استفاده از حسگر در دماهای بالا (دمای ذوب فولاد) یا با خورندگی‌های شیمیایی، با دشواری روبرو خواهد شد.

نحوه کارکرد

اساس کار RTD تغییر مستقیم مقاومت فلزات با دما می‌باشد که با قرار دادن RTD درون یک مدار پل و محاسبات مقاومت RTD با توجه به مدار پل از روی جدول استانداردها، دمای مربوط را می‌توان پیدا کرد. به منظور جلوگیری از خطاهای مربوط به مقاومت، سیم‌های رابط RTD را به صورت ۲ یا ۳ سیمه استفاده می‌کنند.

سنسور این نوع دماسنج‌ها، معمولاً از جنس پلاتین، مس، نیکل ساخته می‌شوند. تغییرات مقاومت این فلزات با دما رابطه ای خطی است؛ لذا، پاسخ RTD به تغییرات دما نسبت به ترموکوپل‌ها سریعتر می‌باشد. 
دو گونه متداول ساخت RTDها، سنسورهای wire-wound و thin film می‌باشند. سنسورهای Wire-Wound معمولاً با پیچاندن یک مقاومت سیمی شکل به دور یک شفت سرامیکی ساخته می‌شوند. به همین دلیل به آنها Wire-Wound یا سیم پیچی می‌گویند. برای ساخت سنسورهای Thin film معمولاً یک لایه نازک از مقاومت را بر روی زیرلایه تخت سرامیکی انباشته می‌کنند.

مقاومت - مقدار آلفا

خواص المان RTDها توسط ضریب مقاومت دمایی (TCR) آنها شناسایی می‌شود که به آن مقدار آلفا (به انگلیسی: alpha value) نیز گفته می‌شود. استاندارد IEC 60751-2008 این مقادیر را برای المان‌های پلاتینی مشخص می‌کند. مقدار آلفا ضریب دمایی مختص یک ماده با ترکیب شیمیایی خاص است. برای مثال مقدار آلفای المان‌های مسی با مقدار آلفای المان پلاتینی متفاوت است و حتی مقدار آلفای المان‌های پلاتینی بسته به خلوص پلاتین یا درصد عناصر آلیاژی آن با هم متفاوت است. مقدار آلفا است که تعیین‌کننده قابلیت تعویض پذیری یک سنسور با سنسور دیگر را تعیین می‌کند. اگر مقدار آلفای دو سنسور یکی باشد رابطه دما-مقاومت در این دو سنسور یکسان خواهد بود. در هنگام تعویض یک سنسور باید از یکسان بودن جنس و داشتن مقاومت یکسان و مقدار آلفای یکسان اطمینان حاصل کرد. برای مثال: pt100 و α = 0.00385.

خودگرمایش

RTDها تجهیزات Passive یا منفعل هستند. به این معنا که برای اینکه کار کنند باید از داخل آنها جریانی عبور داده شود. این جریان عبوری از داخل المان مقاومت باعث افزایش دما می‌شود که می‌تواند باعث خطا شود. از آنجایی که جریان عبوری از RTDهای پایه ریزپردازنده ای بسیار کم می‌باشد، در حدود ۲۰۰ تا ۲۵۰ میکروآمپر، گرمای تولید شده بسیار اندک می‌باشد و در نتیجه تأثیر آن قابل چشم پوشی است.

زمان پاسخ سنسور

زمان پاسخ یک سنسور، زمان مورد نیاز برای ایجاد تغییر در خروجی سنسور، توسط درصد مشخص از گام تغییرات دمایی برای شرایط ثابت خاصی می‌باشد. زمان پاسخ در شرایط متفاوت با یکدیگر تفاوت دارد. برای مثال زمان پاسخ در گازها با زمان پاسخ در مایعات تفاوت دارد.

هیسترسیس

هیسترسیس یا پسماند پدیده ای است که زمانیکه از دو مسیر مختلف به یک مقدار یکسان نزدیک می‌شویم باعث ایجاد اختلاف در خروجی یک سنسور می‌شود. هیسترسیس در RTDهای آزمایشگاهی بسیار کم و قابل چشم پوشی است و معمولاً از این RTDها برای کالیبراسیون استفاده می‌شود. در RTDهای صنعتی به دلیل نیاز به داشتن ساختمانی بادوام و مستحکم، هیسترسیس یا پسماند وجود دارد. البته در اکثر کاربردها این پسماند قابل چشم پوشی است.

آرایش سیم‌ها

RTDها در انواع دوسیمه، سه سیمه و چهارسیمه موجود هستند. از آنجایی که سیم‌های رابط خود دارای مقاومت هستند با افزایش طول آنها خطا افزایش می‌یابد. در نوع دوسیمه از آنجایی که مقاومت سیم رابط با مقاومت سنسور سری می‌شود این خطا برای ترنسمیتر قابل تشخیص نیست. در انواع سه سیمه و چهارسیمه این خطا قابل محاسبه بوده که نوع چهارسیمه بالاترین دقت را در اندازه‌گیری دارد.
رنگبندی سیم‌های RTDها در استاندارد IEC 60751-2008 مشخص شده‌است.

مقایسه RTD و ترموکوپل

گاهی گفته می‌شود که ترموکوپل‌ها ارزان‌تر از RTDها هستند اما با افزودن هزینه سیم رابط، نیاز به کالیبراسیون و تعویض بیشتر و تأثیر دقت پایین‌تر بر روی کیفیت فرایند را در نظر بگیریم این مزیت تأثیر خود را از دست می‌دهد. اصلی‌ترین دلیل استفاده از ترموکوپل به جای RTD می‌تواند محدودیت دمایی RTD باشد. ماکزیمم دمای عملی قابل اندازه‌گیری با RTD برابر ۸۵۰ درجه سلسیوس است.
در کاربردهایی که فقط بررسی روند تغییرات دمایی مورد نیاز است و خطای چند درجه ای تأثیر چندانی ندارد استفاده از ترموکوپل‌های چندتایی یا تکی متصل به ترنسمیترهای چندکاناله یا multiplexer به صرفه تر است.
برای کاربردهای حساس و کنترل فرایند در دماهای زیر ۵۰۰ درجه سلسیوس، استفاده از سیستم RTD که به صورت صحیح انتخاب و نصب شده‌است، به‌طور واضحی ارجحیت دارد. در دماهای بالاتر تا ۸۵۰ درجه افزایش خطا می‌تواند این مزیت را از بین ببرد.

PT100

رایج‌ترین نوع RTD، به نام PT100 می‌باشد. PT100 مبین پلاتین به عنوان عنصر حسگر و مقاومت ۱۰۰ اهمی در صفر درجه سانتیگراد است.
در شکل سیم بندی اساسی PT100 نشان داده شده که برای مسافت‌های چند متری مقادیر بالنسبه دقیقی انتقال داده می‌شود.
اما اگر اندازه‌گیری خیلی دقیق نیاز نباشد یا فاصله کم باشد می‌توان بعضی سیم‌ها را در هم ادغام کرد و مدارهای سه سیمه و دو سیمه را به کار گذاشت.