اگر مهندس برق باشید، حتما اسم ترمیستور و rtd را شنیده‌اید.

مهمترین المان های صنعتی در اندازه گیری دما.

در این نوشته به PTC ها و NTC ها و رابطه نزدیکی که با ترمیستور و rtd دارند، می‌پردازیم.

با ما همراه باشد.

مدرس: مهندس فرزاد لطفی

1- ترمیستور چیست ؟ (بخشی از بسته INSTART)

یکی از روش های اندازه گیری دما، استفاده از تغییرات مقاومت است که
به کمک اندازه گیری تغییر مقاومت می توان دما را اندازه گیری کرد.

اندازه گیری های مقاومتی به دو دسته تقسیم بندی می‌شوند:

2- انواع اندازه گیری مقاومتی

1-2- ضریب حرارتی مثبت 

اندازه گیری با ضریب حرارتی مثبت (PTC (Positive Temperature Coefficient ،
در این گونه، افزایش دما منجر به افزایش مقاومت شده و کاهش دما منجر به کاهش مقاومت می گردد.
رابطه مستقیم بین R و T.

فلزاتی نظیر پلاتین، نیکل، مس و تنگستن.

                   رنج اندازه گیری                                           ℃  980~270-

                   رنج اندازه گیری صنعتی و عملکردی            ℃  800~250-

در نمونه های مربوط به PTC، از استانداردی تحت عنوان IEC 60751 استفاده می‌کنیم.
در این استاندارد در مورد نحوه اندازه گیری، شیوه طراحی، نوع کالیبراسیون و موارد دیگر صحبت شده است.

برای پلاتین تا 800 ، برای نیکل تا 315 قابل اندازه گیری بوده و
برای سیم پیچی موتور های بزرگ معمولا از سیم پیچی های مس که تا 150 توانایی اندازه گیری دما را دارد، استفاده می‌شود.

نوع خیلی پرکاربرد در صنعت، پلاتین است.

2-2- ضریب حرارتی منفی 

اندازه گیری با ضریب حرارتی منفی (NTC (Negative Temperature Coefficient،
در ترمیستور ها، افزایش دما منجر به کاهش مقاومت شده و کاهش دما منجر به افزایش مقاومت می‌گردد.
رابطه معکوس بین R و T در ترمیستور .

اکسید فلزاتی نظیر کروم، کبالت، آهن ، ترکیب منگنز و نیکل.

                   رنج اندازه گیری                                     ℃  350~50-

تذکر: NTC ها از نظر قیمت، بسیار گران تر از PTC ها می باشند. این به علت دقت اندازه گیری بالاتر ترمیستور ها است.

به ازای هر 1 افزایش دما، rtd ها در حدود 0.5% افزایش مقاومت داشته، در حالی که این میزان برای ترمیستور ها در حدود 3-5% است.

در واقع منحنی تغییرات NTC ( ترمیستور ) دارای رزولوشن بسیار بیشتری است.

 

ترمیستور

اما در صنعت عموما از PTC ها استفاده می‌شود.

نمودار کلی (منحنی مشخصه فیزیکی) برای PTC و NTC را در شکل زیر مشاهده می کنید:

منحنی مقاومت متغیر با دما ترمیستور

تا حدود دمای 350 ، PTC ها رفتاری خطی دارند.

چون این خاصیت خطی به ما پاسخ خوبی را نشان می‌دهد. در صنعت تا دماهای 350 از PTC ها استفاده می‌شود.
در صنعت و تجارت عموما PTC ها را با نام (RTD (resistance temperature detector می خوانند.

پرکاربردترین PTC ها، پلاتین PT و نیکل Ni می باشند. که PT ها بسیار رایج‌تر هستند.

انواع مختلف ترمیستور

برای پلاتین، انواع زیر را داریم:

PT 50 , 100 , 200 , 300 , … , 1000

که رایج‌ترین آن PT100 است.

برای PT100 اطلاعات زیر را داریم:

℃ 100Ω ← 0

α = 0.00392 American Standard
α = 0.00385 European Standard

فرمول آلفا برای ترمیستور

مهم مهم: با استفاده از فرمول فوق و اطلاعات موجود، برای PT100 به ازای هر 1℃ افزایش دما، افزایش مقاومت برابر با 0.385 Ω خواهد بود.

اکنون به نظر شما، اگر در اتاق کنترل 120 Ω دریافت شود؛ چه دمایی را در سایت داریم؟

محاسبه دما ترمیستور

در ادامه در رابطه با اینکه المنت اندازه گیری دما، چطور دما را محاسبه می‌کند و آن را به اتاق کنترل ارسال می‌کند، صحبت خواهیم کرد.

3- ارسال سیگنال RTD به اتاق کنترل

1-3- RTD 2-wire

در راهکارهای استفاده از Local Indicator به خروج دو رشته سیم از ترانسمیتر دما و ارسال آن به اتاق کنترل اشاره کردیم.

RTD ترمیستور دو سیمه

دقت کنید که علاوه بر مقاومت RTD که در داخل ترموول قرار دارد، مقاومت های خط را نیز برای سیم های انتقالی داریم.

حتما مواظب باشید که برای PT100، کارت آنالوگ مخصوص به خودش را برای PLC بایستی خریداری کنید.

مدار جریان به صورت زیر است:

مدار آر تی دی

در داخل این کارت آنالوگ یک پل وتستون وجود دارد که به شکل زیر یک خروجی ولتاژ را می دهد.

پل وتستون

گفتیم که RTD یا همان PT100 در دمای 0℃، مقدار 100 Ω را نشان می دهد.

اگر مقاومت ها  را به صورت زیر انتخاب کنیم، پل به حالت تعادل رفته و در دمای 0℃ مقدار 0 ولت را خواهیم داشت.

R2 × RTD = R1 × R3

تغییر دما، منجر به تغییر مقاومت می‌شود و تغییرات مقاومت به صورت تغییر ولتاژی (تقریبا بین 1-5 ولت) نمایان می‌گردد.

مقاومت خط: بایستی توجه کنید که مقدار RTD به طور مستقیم به اتاق کنترل نرفته و مطابق شکل اول، مقاومت های خط را نیز داریم.

این ها منجر به ایجاد اشتباه در مقدار مقاومت شده و مقادیر را کمی تغییر می‌دهد.

بنابراین اگر از سنسورهای RTD 2-wire استفاده کردید، اهم پِر کیلومتر /km کابل را محاسبه کرده و
میزان جبران سازی را به کارت بدهید تا جبران سازی انجام شود و به مقادیر صحیح‌تری دست یابید.

در این حالت فرض کنید که Ω/km = 10 باشد و طول کابل های ما 100 متر باشد.

در نتیجه بایستی 1 را به عنوان امپدانس اضافی و برای جبران سازی به کارت بدهیم.

به علت خطای مقاومت خط که بالا است، عموما از RTD 2-wire استفاده نشده و  RTD 3-wire  کاربردی و عملی است.

2-3-  RTD 3-wire

شمای کلی استفاده از RTD سه سیمه به صورت زیر است:

مدار ترمیستور rtd سه سیمه

سیم سوم نیز از نظر سطح مقطع و مقاومت بایستی مشابه با دو سیم دیگر باشد.

در این حالت در واقع، سه سیم به داخل کارت PT100 از PLC برده شده و شرایط اعمال می‌گردد.

سمت راست بیانگر کارت آنالوگ PT100 در داخل PLC است.

اگر دقت کنید، در حلقه بالایی به علت وجود ولت متر، جریانی نخواهیم داشت

جریانی که در حلقه پایین ایجاد کرده‌ایم را I در نظر گرفته، ولتمتر A را VA و ولتمتر B را VB نام گذاری می‌کنیم. در نتیجه محاسبات زیر را خواهیم داشت.

در حلقه بالا                           VB = Rw × I

Rw، منظور مقاومت سیمِ وسطی می‌باشد! که در واقع همان جریان حلقه پایین از آن عبور می‌کند

   در حلقه کلی                  I ×Rw + VRTD = VA

با کم کردن این دو عبارت به نتیجه زیر می رسیم:

VA VB = VRTD

این تنها آیتمی است که در ابزار دقیق، سیگنال مقاومتی را مستقیما به اتاق کنترل فرستاده و در اتاق کنترل آن را به ولتاژی تبدیل می‌کنیم.

فاصله بیش از 200 متر

تذکر: بایستی به این نکته توجه کنید که در برخی استاندارد ها، نظیر استاندارد زیمنس این نکته ذکر شده است که
برای مسافت‌هایی بیش از 200 متر نمی توانیم سیگنال مقاومتی را مستقیم به اتاق کنترل ارسال کنیم و در آنجا اعمال بالا را انجام دهیم.

در این موارد، بایستی پل وتستون را در داخل خود ترانسمیتر دما (کله گیر) که
همان واحد ترانسدیوسر می‌شود، ایجاد کنیم و نیازی به کارت آنالوگ مخصوص نیست.

در نتیجه ما خروجی مان فقط 20-4 میلی آمپر خواهد بود.

در واقع با پل وتستون خروجی ولتاژی ای ایجاد کرده و سپس
آن را به علت وجود نویزها به سیگنال جریانی تبدیل کرده و به اتاق کنترل ارسال می‌کنیم.

برای این کار بایستی ترانسمیتر های مخصوص این کار را خریداری کنید و
با یک کارت خروجی آنالوگ معمولی می‌توانید مقادیر را دریفات کنید.

RTD های سه سیمه، پرکاربردترین المان برای اندازه گیری دما با روش مقاومت‌های متغیر با دما هستند.

rtd

3-3- RTD 4-wire

برای از بین بردن اثر سیم سوم، می توان از 4 سیم استفاده کرد.

در این حالت بایستی یک کارت آنالوگ مخصوص به PT100 با 4 سیم را خریداری کنیم.

این کارت دارای 4 پایه می‌باشد که بین پایه های 2 و 3، یک مبع جریان وجود داشته و
بین پایه 1 و 4 یک ولتمتر و ولتاژ خوان داشته که ولتاژ را می خواند و عملا جریان را از خود عبور نمی دهد.

مدار rtd 4 سیمه

در این حالت، کل جریان از حلقه درونی عبور می کند و جریانی از سیم های 1 و 4 عبور نمی کند.

در این حالت، ولتاژی که توسط ولتمتر اندازه گیری می‌شود،
دقیقا همان ولتاژ RTD می‌باشد که متناسب با مقاومت RTD است.

سپس با یک کالیبراسیون ساده به راحتی می توانیم دما را بر روی PLC، مشاهده کنیم.

نکته: به عنوان یک نکته کلی این را بدانید که خروجی اکثر تجهیزاتی که در ابزار دقیق با آنها سر و کار داریم، 1-5 ولت بوده که
عموما یک مقاومت تقریبا 250 Ω بر سر راه آن قرار داده و جریان 20-4 میلی آمپر خواهیم داشت.

به همین علت است که ولتاژ 5-1 ولت و جریان 20-4 میلی آمپر را زیاد شنیده اید.

تذکر: در موقع خرید آن به سه پارامتر توجه شود :

1- ترموول خریداری شود (TW)

2- ترانسمیتر خریداری شود (TT)

3- المنت را هم بخریم (TE) (Temperature element)

ما در مباحث مختلفی از بسته جامع ابزار دقیق به آموزش کاربردی مطالب پرداخته ایم

4- کاربرد انواع مختلف ترمیستور

ترمیستور های NTC معمولا بعنوان سنسور دما استفاده می شوند یا
به صورت موازی با مدار قرار می گیرند تا بعنوان محدود کننده جریان ورودی به مدار مورد، استفاده قرار گیرند.

ترمیستور های PTC معمولا به صورت سری به مدار متصل می شوند و برای محافظت در برابر  جریان اضافی استفاده می شوند.

اشکال مختلف ترمیستور

ترمیستورهای NTC در بازه دمایی 0 تا 70 درجه سانتی گراد با دقت خوبی در حدود 0.1 یا 0.2 درجه سانتی گراد عمل می کنند.

این ترمیستورها در

  • تراشه های با پوشش شیشه
  • اپوکسی های بدون پوشش
  • سیم های سرب عایق بندی شده
  • میله ها و دیسک ها

استفاده می شوند.

بازه دمایی عملیاتی معمول برای اکثر ترمیستور ها بین 55- تا 150 درجه سانتی گراد است.

اگر جنس ترمیستور از شیشه های خاص باشد این بازه ممکن است تا 300 درجه سانتی گراد افزایش یابد.

کاربرد ترمیستور

ترمیستور به صورت گسترده به عنوان

  • محدود کننده جریان هجومی
  • سنسور دما
  • محافظ اضافه جریان خود تنظیم (self resetting)
  • اجزای کلیدی خود تنظیم (self regulating)

استفاده می شود.

5- کاربرد ترمیستور در گوشی های هوشمند

ترمیستور NTC در گوشی های هوشمند نیز به کار می رود.

وظیفه آن این است که وضعیت حرارتی باتری را به گوشی اعلام کند.

زمان شارژ گوشی، اگر دمای باتری از حد مجاز بیشتر شود، با کم شدن مقدار NTC
گوشی به سرعت فرمان قطع عملیات شارژ را صادر می کند.

ثبت اطلاعات برای دریافت آموزش رایگان

مقاله بالا بخشی از بسته جامع ابزار دقیق (INSTART) است.

برای مشاهده کامل این بسته کلیک کنید.

مشاهده بسته ابزاردقیق
بسته جامع آموزش ابزار دقیق INSTART

در نماتک نظر دهید