RTD یا ترموکوپل : کدام یک برای نیازهای شما بهتر است؟

چگونه دما را اندازه‌گیری می‌کنیم؟

در اندازه‌گیری دما از دستگاه‌های مختلفی استفاده می‌شود. اندازه‌گیری دما برای کنترل و نظارت صحیح واحدهای صنعتی بسیار حائز اهمیت است. عدم دقت در اندازه‌گیری و کنترل دما می‌تواند منجر به ثبت دماهای نادرست و ناقص شود.

اندازه‌گیری نادرست می‌تواند باعث خرابی تجهیزات، کیفیت پایین محصول و حتی خطرات جدی برای سلامتی انسان‌ها شود. به عنوان مثال، کنترل دمای مناسب در صنعت غذا و نوشیدنی، کیفیت، طعم و تازگی غذا را تضمین می‌کند. اگر دمای کنترل شده درست نباشد، دمای نادرست می‌تواند خطراتی برای سلامتی مصرف کنندگان ایجاد کند.

در واقع بسته به نیاز و کاربرد مورد نظر، از دستگاه‌های مختلفی برای اندازه‌گیری دما استفاده می‌شود. دو مثال از این دستگاه‌ها در صنعت، ترموکوپل‌ها (T/C) و سنسورهای مقاومتی دما (RTD) هستند.

مشخصات اصلی سنسورهای مقاومتی دما (RTD) و ترموکوپل‌ها (T/C) عبارتند از:

• تعریف سنسورهای مقاومتی دما و ترموکوپل‌ها
• ساختار RTD شامل یک کویل کوچک از المان سیمی به عنوان یک مقاومت دقیق که به طور عمده در دور یک بابین شیشه‌ای یا سرامیکی پیچیده شده است. این ساختار به آن اجازه می‌دهد که بدون محدودیت در محدوده دمایی گسترده‌ای انبساط و کوچک شود. این پیچش به طور عمومی به صورت ساختار هلیکس یا قفس پرنده انجام می‌شود.
• RTD یک دستگاه دقیق است که دقت بسیار بالایی در اندازه‌گیری دما دارد و قابلیت اندازه‌گیری دما در محدوده گسترده‌ای از دماها را دارد، به طور معمول از -200 درجه سانتیگراد تا 850 درجه سانتیگراد.
• ترموکوپل‌ها در واقع دستگاه‌هایی هستند که بر اساس اثر ترموالکتریک، تغییرات دما را به تغییرات ولتاژ الکتریکی تبدیل می‌کنند. ترموکوپل‌ها به دلیل داشتن خصوصیات مقاومتی کمتر و حساسیت بیشتر نسبت به RTD، در بسیاری از موارد مورد استفاده قرار می‌گیرند. این دستگاه‌ها از دو ماده مختلف ساخته شده‌اند که در نقاط مختلفی به یکدیگر وصل می‌شوند. این تفاوت ایجاد یک ولتاژ الکتریکی در دو نقطه سرد و گرم ترموکوپل ایجاد می‌کند که با توجه به نوع ترموکوپل و با استفاده از جدول کالیبراسیون، می‌توان دمای مورد نظر را محاسبه کرد.
• ترموکوپل‌ها در محدوده دمایی گسترده‌ای از -200 درجه سانتیگراد تا 2300 درجه سانتیگراد قابل استفاده هستند.
• علاوه بر این، ترموکوپل‌ها به دلیل ساختار ساده و در دسترس بودن در مقیاس بزرگتر، در بسیاری از برنامه‌های صنعتی مورد استفاده قرار می‌گیرند.

ما با تعریف سنسورهای مقاومتی دما (RTD) شروع می‌کنیم. RTD می‌تواند به صورت یک کویل کوچک از یک المان سیمی به عنوان یک مقاومت دقیق، اصلیاً دور یک بابین شیشه‌ای یا سرامیکی ساخته شود. این ساختار به آن اجازه می‌دهد که بدون محدودیت در محدوده دمایی گسترده‌ای انبساط و کوچک شود. پیچیدگی عموماً به صورت ساختار هلیکس یا قفس پرنده انجام می‌شود.

RTD همچنین یک دستگاه غیرفعال است. برای اندازه‌گیری مقاومت، به‌عنوان نتیجه تغییر دمای RTD، باید توسط یک دستگاه الکترونیکی خارجی تغذیه شود. دستگاه الکترونیکی، جریان الکتریکی کوچکی از طریق سنسور مقاومتی RTD تولید می‌کند تا به‌عنوان نتیجه اندازه‌گیری، خروجی ولتاژ تولید شود.

سپس، بیایید سنسورهای ترموکوپل (T/C) را تعریف کنیم. ترموکوپل دو نوع فلز مختلف را در یک سر هم جوش می‌دهد تا یک اتصال ایجاد شود. بنابراین، هنگامی که اتصال دو فلز گرم یا سرد می‌شود، یک ولتاژ کوچک از تأثیرات گرمایی یا سردی تولید می‌شود که مستقیماً به دما مربوط می‌شود.

ترموکوپل یک دستگاه فعال است. مواد استفاده شده در ساخت سنسور RTD یا ترموکوپل چیست؟ برای سنسور RTD، عناصر معمولاً استفاده شده شامل سیم‌های نیکل، پلاتین و یا مس هستند. برای سنسور ترموکوپل، مواد استفاده شده بسته به نوع ترموکوپل متفاوت است. برخی از نوع‌های رایج ترموکوپل و ترکیب مواد متناظر با آنها عبارتند از:

• – نوع K: کرومل ـ آلومل (نیکل ـ کرومیوم/ نیکل ـ آلومینیوم)
• – نوع J: آهن ـ کانستان
• – نوع T: مس ـ کانستان
• – نوع E: کرومل ـ کانستان
• – نوع N: نیکروسیل ـ نیسیل (نیکل ـ کرومیوم ـ سیلیکون/ نیکل ـ سیلیکون)

انتخاب مواد بستگی به عوامل مختلفی مانند محدوده دمایی مورد نظر، نیازهای دقت و شرایط محیطی دارد.

مواد استفاده شده برای مقاومت دما (RTD)

نیکل به دلیل داشتن مقاومت بالا در برابر خوردگی، به عنوان یک ماده مناسب برای استفاده در محیط‌های سخت شناخته شده است. همچنین، قیمت نیکل نسبت به سایر مواد، نسبتاً کمتر است که باعث شده است که گزینه محبوبی باشد.
با این حال، نیکل ضریب دمایی نسبتاً بالایی دارد، به این معنی که مقاومت آن با دما به سرعت تغییر می‌کند.
پلاتین به طرف مقابل، ضریب دمایی بالایی دارد که باعث می‌شود برای اندازه‌گیری دما، بسیار دقیق باشد. همچنین، پلاتین مقاوم در برابر خوردگی است که باعث شده است که در محیط‌های سخت نیز قابل استفاده باشد.
با این حال، پلاتین نسبت به نیکل، قیمت بسیار بیشتری دارد که ممکن است در برخی موارد، کمتر مورد توجه باشد.
سرانجام، مس مقاومت الکتریکی بالایی دارد که در برنامه‌هایی که زمان پاسخ سریع مورد نیاز است، مناسب است. همچنین، قیمت آن نسبت به پلاتین نسبتاً کمتر است.
با این حال، مس به اندازه نیکل یا پلاتین مقاوم در برابر خوردگی نیست که باعث می‌شود در محیط‌های سخت، کمتر مناسب باشد.

مواد استفاده شده برای ترموکوپل

در مورد حسگر ترموکوپل، فلزات هادی هادی متفاوت، سطح کوچکی از ولتاژ یا بار تولید خواهند کرد.
از جمله رایج‌ترین انواع ترموکوپل‌ها، نوعی سیستم نامگذاری با حروف است، مانند K، J، T و E. هر حرف به ترکیب خاصی از دو فلز مختلف در ترموکوپل اشاره دارد.
این ترکیبات فلزی بر اساس خصوصیات منحصر به فرد خود انتخاب شده‌اند، مانند دقت، زمان پاسخ و محدوده دما.
به عنوان مثال، ترموکوپل نوع K از فلزات Chromel و Alumel تشکیل شده است و معمولاً در برنامه‌های با دمای بالا مانند کوره‌ها و بخاری‌ها استفاده می‌شود.
از طرف دیگر، ترموکوپل نوع J از فلزات Iron و Constantan تشکیل شده است و در برنامه‌های با دمای پایین مانند سیستم‌های خنک کننده استفاده می‌شود.
انتخاب نوع مناسب ترموکوپل، به تعیین کاربرد خاص آن بستگی دارد، بنابراین انتخاب مناسب برای دریافت خواندن دمای دقیق بسیار مهم است.

محدوده دما

حسگرهای RTD و ترموکوپل بسته به نوع ماده استفاده شده و کاربرد، محدوده اندازه‌گیری دما دارند. یک RTD می‌تواند در دماهایی بین -200 درجه سانتی‌گراد تا +850 درجه سانتی‌گراد استفاده شود.

در مقایسه، ترموکوپل می‌تواند از -250 درجه سانتی‌گراد تا +1800 درجه سانتی‌گراد اندازه‌گیری کند.

دقت و حساسیت

زمانی که برخی از ویژگی‌های رایج حسگرهای دمای RTD و ترموکوپل را مقایسه می‌کنیم، می‌توانیم به عنوان نموداری از برخی مزایا و معایب استفاده از هر کدام از آنها برای انتخاب مورد مطالعه قرار دهیم.

بنابراین، چه مزایا و معایبی برای RTD و ترموکوپل وجود دارد که قبل از انتخاب باید در نظر گرفت؟

در زیر، چند نکته برای انتخاب RTD یا ترموکوپل ذکر شده است:

به عنوان مثال، محدوده اندازه‌گیری برای یک RTD بین -200 درجه سانتی‌گراد و +850 درجه سانتی‌گراد است، اما برای یک ترموکوپل، این محدوده -250 درجه سانتی‌گراد تا 1800 درجه سانتی‌گراد است.

بنابراین، اگر نیاز به اندازه‌گیری دمایی با دمای بالا تا 1000 درجه سانتی‌گراد دارید، ترموکوپل می‌تواند به عنوان حسگر مناسبی انتخاب شود. یا اگر نیاز به حساسیت بیشتر دارید، RTD گزینه بهتری است.

زمان پاسخ به مقدار زمانی اطلاق می‌شود که یک دستگاه اندازه‌گیری دما پس از تغییر دمایی، تغییر دما را نشان می‌دهد.

در مورد RTD (تشخیص دمای مقاومتی) و ترموکوپل‌ها، زمان پاسخ می‌تواند بر اساس چندین عامل از جمله اندازه و ماده دستگاه، محیط اطراف و نوع ترمومتر استفاده شده متفاوت باشد.

بطور کلی، RTD ها زمان پاسخ کندتری نسبت به ترموکوپل‌ها دارند، اما در محدوده دمایی گسترده‌تر دقیق‌تر هستند.

در برنامه‌های با دمای بالا، ترموکوپل‌ها دارای زمان پاسخ سریعتری هستند، اما دقت آنها ممکن است تحت تداخل الکترومغناطیسی تحت تاثیر قرار گیرد.

برای انتخاب دستگاه اندازه‌گیری دمای مناسب، مهم است که الزامات خاص برنامه را، از جمله دقت مورد نیاز، محدوده دما و زمان پاسخ در نظر گرفت.

این فقط چندین ویژگی رایج هستند. قبل از انتخاب هر حسگر دما، همیشه باید به برگه داده‌ها مراجعه کنید.

RTD و ترموکوپل چه مزایا و معایبی دارند؟
در انتخاب بین RTD و ترموکوپل، چه نکاتی باید در نظر گرفت؟
در زیر چند نکته را قبل از انتخاب RTD یا ترموکوپل باید در نظر گرفت:

مزایای RTD:

• RTD می‌تواند محدوده دمایی پایین‌تر را اندازه‌گیری کند.
• RTD دقیق‌تر است.
• خروجی RTD خطی است.

معایب RTD:

• RTD گران‌تر است.
• RTD برای دماهای بیشتر از +850 درجه سانتی‌گراد یا به عبارت دیگر 1562 درجه فارنهایت مناسب نیست.
• RTD زمان واکنش به تغییرات دما را به طور کلی کندتر دارد.

نکات ترموکوپل:

مزایای ترموکوپل:

• ترموکوپل محدوده دمایی گسترده‌تری دارد و می‌تواند تا 1800 درجه سانتی‌گراد یا 3272 درجه فارنهایت اندازه‌گیری کند.
• ترموکوپل زمان واکنش به تغییرات دما را به طور کلی سریعتر دارد.
• ترموکوپل در کل ارزان‌تر است.
• ترموکوپل در محیط های سخت‌تر معمولاً مقاومت بیشتری دارد.
• ترموکوپل ارزان‌تر از RTD است.
• ترموکوپل می‌تواند محدوده دمایی بیشتری را اندازه‌گیری کند.
• زمان واکنش ترموکوپل به تغییرات دما سریعتر است.

معایب ترموکوپل:

• ترموکوپل ممکن است در مقایسه با RTD دقت کمتری داشته باشد، به ویژه در دماهای پایین‌تر.
• ترموکوپل ممکن است تحت تأثیر تداخل الکترومغناطیسی باشد.
• خروجی ترموکوپل غیرخطی است و نیاز به خطی‌سازی دارد.
• انواع مختلف ترموکوپل‌ها می‌توانند حساسیت دمایی و نرخ دریفت متفاوتی داشته باشند که باعث پیچیدگی بیشتر در کالیبره کردن می‌شود.
• خروجی ترموکوپل غیرخطی است.
• دقت ترموکوپل کمتر است.
• پایداری خروجی ترموکوپل کمتر است.

به طور خلاصه، RTD دقیق‌تر، خروجی خطی‌تر و برای محدوده دمایی پایین‌تر مناسب‌تر است، اما گرانتر است و زمان واکنش به تغییرات دما کندتر است. ترموکوپل محدوده دمایی گسترده‌تری دارد، زمان واکنش به تغییرات دمایی سریعتر است و به طور کل ارزان‌تر است، اما ممکن است دقت کمتری داشته باشد و تحت تأثیر تداخل الکترومغناطیسی قرار گیرد. برای انتخاب حسگر مناسب، باید براساس کاربرد و محدوده دمایی مورد نظر انتخاب شود.

زمانی که باید از RTD و ترموکوپل استفاده کرد؟

در برنامه هایی که دقت بالایی مورد نیاز است، هزینه مهم نیست و دمای اندازه گیری شده کمتر از +800 درجه سانتیگراد است، انتخاب RTD بهترین گزینه است.
و در مورد ترموکوپل ها، در مواردی که دماهای بیشتر از +800 درجه سانتیگراد تجسم شده باشند، بهترین حسگر ترموکوپل است. قبل از انتخاب حسگر مناسب برای برنامه کنترل، باید به عوامل زیادی توجه کرد.
در زیر چند عامل را برای در نظر گرفتن در انتخاب حسگر برای برنامه کنترل خود ذکر کرده ایم:

• محدوده اندازه گیری برنامه شما،
• دقت اندازه گیری مورد نیاز برنامه شما،
• واکنش حسگر به تغییرات در طول زمان استفاده،
• اندازه گیری نقطه ای که به دقت باید انجام شود،
• حساسیت حسگر،
• هزینه حسگر.
  این فقط چند عامل برای در نظر گرفتن قبل از تصمیم گیری است.

مثال های واقعی:

در ابتدای این مقاله، اشاره شد که RTD ها و ترموکوپل ها در همه نوع برنامه های صنعتی قابل پیدا کردن هستند، مانند صنعت غذا و نوشیدنی که در آن دمای فرآیندهای مربوط به فرن، گرم کننده و یخچال کنترل می شود.
همچنین، آنها حتی در خودروی شما نزدیکتر هستند، دمای گاز خروجی از لوله دمای خودرو، حسگر دمای موتور و حتی دمای روغن موتور را نظارت می کنند.

نتیجه گیری:

این فقط چند توجهی هستند که مهندس طراح باید قبل از تصمیم گیری در نظر بگیرد.
در نتیجه، در این مقاله، شما تفاوت بین RTD ها (حسگرهای دمایی مقاومتی) و ترموکوپل ها برای برنامه های اندازه گیری دما یاد گرفتید. در زیر نتایج کلیدی این مقاله برای شما ذکر شده است:
دقت: RTD ها در اندازه گیری دما دقیق تر از ترموکوپل ها هستند. دقت RTD ها ±0.5°C است، در حالی که دقت ترموکوپل ها ±2°C است.
محدوده دمایی: ترموکوپل ها دارای محدوده دمایی بیشتری نسبت به RTD ها هستند و می توانند دماهایی از -250°C تا +1800°C را اندازه گیری کنند، در حالی که RTD ها می توانند دماهایی از -200°C تا +850°C را اندازه گیری کنند.
زمان واکنش: ترموکوپل ها زمان واکنشی سریعتر نسبت به RTD ها دارند و RTD ها زمان واکنشی با سرعت 1-2 ثانیه دارند.
هزینه: ترموکوپل ها ارزان تر از RTD ها هستند، بنابراین در برنامه هایی که دقت بالایی مورد نیاز نیست یا هزینه مهم است، گزینه مناسبی هستند.
پایداری: RTD ها بیشتر و پایدارتر از ترموکوپل ها هستند، زیرا RTD ها از مواد با کیفیت بالا ساخته شده است و کمتر به خرابی حساس هستند.
همانطور که می بینید، هر دو RTD ها و ترموکوپل ها دارای مزایا و معایب خود هستند و انتخاب بین آن دو بستگی به نیازهای خاص برنامه اندازه گیری دما دارد.