سنسور PT100: هر آنچیزی که باید درباره سنسورهای پلاتینیومی بدانید.

سنسور PT100 به خاطر ساختار و پایداری کارکرد در محیط‌هائی که باید حرارت آن‌ها دائما اندازه‌گیری شوند، یکی از مهمترین سنسورهای ابزار دقیق هستند. در ویدئو بالا نگاهی به ساختار و نحوه کارکرد سنسور PT100 می اندازیم و بیشتر با آن آشنا می‌شویم.

چنانچه امکان تماشای ویدئو را ندارید میتوانید به توضیحات درجه شده در ادامه این صفحه مراجعه کنید.

سنسور PT100 چطور کار می‌کند؟

همه مواد در اثر حرارات دچار تغییراتی در ساختار و کریستال‌های اتمی خودشان می‌شوند. برای مثال فلزات دچار انبساط می‌شوند و یا مایعات تبدیل به بخار می‌شوند. این تغییر در حالت ماده سبب می‌شود که برخی از خصوصیات رسانائی جریان الکتریکی در آن‌ها تغییر کند. برای مثال آهن در زمان گرم شدن رسانائی کمتری نسبت به زمانی که آن خنک است دارد. این خصوصیات تقریباً در تمامی فلزات سنگین‌تر نیز به همین شکل اتفاق می‌افتد.

در این میان فلز پلاتینیوم یکی از فلزات سنگین به حساب می‌آید با داشتن عدد اتمی ۱۹۵٫۰۸ رفتارهای ثابتی را در برابر تغییرات حرارتی نسبت به فلزات با ایزوتوپ پائین‌تر از خود نشان دهد. این ثبات رفتاری اساسی‌ترین خصوصیتی است که سبب شده است از پلاتینیوم به عنوان اصلی‌ترین عنصر در ساخت سنسورهای حرارتی استفاده شود.

پلاتینیوم یک فلز با ایزوتوپ بالا به شمار می‌رود. افزایش تعداد پروتون‌ها و الکترون‌ها سبب می‌شود که تاثیرات حرارتی در این فلز، سبب تغییرات منظم در مقاومت آن در برابر جریان الکتریکی شود. این تغییرات با تقریب قابل توجهی به صورت خطی هستند. یعنی با تغییر هر درجه سانتیگراد حرارت، با ضریب یکسانی مقاومت الکتریکی (با واحد اهم) نیز افزایش پیدا می‌کند. این رفتار سبب شده است که فلز پلاتینیوم به عنوان اصلی‌ترین ماده در ساخت سنسورهای RTD یا Resistance Temperature Detectorsبه کار گرفته شود.

در اینجا به خاطر ثبات رفتاری در فلز پلاتینیوم می‌توان سنسورهای سنجش حرارتی را ایجاد کرده به صورت دائمی دمای محیط را اندازه‌گیری کنند. برای این کار تنها کاری که لازم است انجام شود، ایجاد یک دماغه (Thermowells) یا سطح تماس پلاتینیومی است که با محیط پر حرارت در تماس قرار گیرد. در گام بعدی با عبور دادن یک جریان مشخص و ثابت الکتریکی از این دماغه می‌توانیم مقاومت الکتریکی آن را محاسبه کنیم. با تغییر مقاومت دماغه پلاتینیومی می‌توانیم درجه حرارت را به دست بیاوریم. همانطور که در بالا گفته شد، رفتار مقاومت الکتریکی پلاتینیوم در برابر حرارت به صورت دقیقاً خطی است و برای همین می‌توان با در اختیار داشتن یک جدول مشخص از مقاومت‌ها درجه حرارت فعلی محیط فعالیت سنسور PT100 را تعیین کرد.

سنسورهای PT100 (385) و PT100 (391)

در بازار سنسورهای حرارتی ابزار دقیق وقتی که صحبت از سنسورهای PT100 می‌شود شما با دو انتخاب PT100 (385) و PT100 (391) روبرو می‌شوید. اما این دو عدد ۳۸۵ یا ۳۹۱ چه هستند و چرا مهم هستند؟

برای درک این دو عدد بهتر است نگاهی به معادله محاسبه مقدار درجه حرارت با استفاده از مقاومت الکتریکی دماغه پلاتینیومی سنسور PT100 بیندازیم.

همانطور که مشاهده می‌کنید، در معادله یک مقدار آلفا با استفاده از مقاومت سنسور در دمای صد درجه محاسبه شده است. مقدار R100c در صورت معادله یک، نشان دهنده مقدار ۱۳۸٫۵۱ است که سبب می‌شود که مقدار آلفای ما برابر با ۰٫۰۰۳۸۵۱ باشد. مقدار ۳۸۵ در اینجا نشان دهنده این مقدار آلفا است. اگر ما از ایزوتوپ دیگر فلز پلاتینیوم استفاده کنیم مقدار آلفای ما برابر با ۰٫۰۰۳۹۱۱ روبرو می‌شوید که عدد ۳۹۱ در اینجا نشان دهنده این مقدار آلفا است. اما این مقدار آلفا چه تفاوتی دارد؟

برای درک بهتر موضوع نگاهی به تصویر و نمودار زیر از سنسور PT100 داشته باشید.

همانطور که در این نمودار می‌بینید، سنسور PT100 با ایزوتوپ مرجع خود در دمای ۱۰۰ درجه سانتیگراد دارای مقاومت الکتریکی برابر با ۱۳۸٫۵ اهم است. در ایزوتوپ دوم ما در دمای ۱۰۰ درجه با مقاومت الکتریکی ۱۳۹٫۱ اهم روبرو هستیم. تفاوت این دو مقاومت زیاد نیست. اما سنسورهای ۱۳۹٫۱ اهمی می‌توانند درجه حرارت‌ها را به صورت پایدارتری نشان دهند. شرایط مناسب فعالیت هر کدام از این دو سنسور PT100 در کاتالوگ آن‌ها به صورت کامل توضیح داده شده است.

سنسور PT100 در چه مواردی به کار گرفته می‌شود؟

اساسی‌ترین کاربرد سنسورهای PT100 برای سنجش دیگ‌های بویلر و مکان‌هائی است که دمای آن‌ها باید به صورت دقیق و دائمی اندازه‌گیری شود. در صنایع مواد غذائی، دارو سازی و صنایع شیمیائی از این سنسورها به صورت گسترده‌ای استفاده می‌شود.

به صورت کلی این سنسور در دو نوع دو سیمی و سه سیمی به بازار عرضه می‌شوند.

سنسورهای PT100 دو سیمی دارای مدار ساده‌ای هستند و برای محاسبه مقدار مقاومت دماغه سنسور از یک رابطه خطی ساده و بدون در نظر گرفتن اتلاف مقاومتی مدارها استفاده می‌کنند. این دسته از سنسورها دقت زیادی ندارد و بیشتر بر اساس سادگی و ارزان بودن ساخته می‌شوند. در جائی که صرفاً سنجش ساده درجه حرارت لازم است (برای مثال جوش بودن آب برای پخت مواد غذائی) می‌توان از این سنسورهای استفاده کرد.

سنسورهای PT100 سه سیمی، مدار پیچیده‌تری دارند. آن‌ها اتلاف مقاومت روی داده در مدار را نیز محاسبه می‌کنند و در نتیجه مقاومت محاسبه شده عاری از مقاومتی است که در مدار سنسور روی می‌دهد. البته به خاطر نحوه ساخت و شیوه محاسبه، این سنسورها نسبت به نوع دو سیم گرانتر هستند ولی با دقت بالاتری، درجه حرارت را نشان می‌دهند. از این سنسورها در صنایع شیمیایی و داروئی که حفظ درجه حرارت در یک دمای خاص (برای مثال درجه‌های پائین‌تر از دمای جوش آب، مثلاً ۷۵ درجه سانیتگراد) مهم است استفاده می‌شود. این سنسورها می‌توانند از هر دو ایزوتوپ فلز پلاتینیوم در دماغه خودشان استفاده کرده باشند.

تبدیل دقیق داده‌های مقاومت به مقدارهای دیجیتالی در پشت سنسور بر اساس مدارهای الکتریکی انجام می‌شود. این مدارها حافظه از جدول تبدیل های مقاومت به حرارت را در خود دارند که بر اساس تغییرات مقاومت الکتریکی، درجه حرارت را محاسبه کرده پالس مرتبط به آن را به مدار نمایش اطلاعات ارسال می‌کنند.

در این مقاله سعی شد که با ساده‌ترین روش طرز کار سنسور PT100 توضیح داده شود. برای درک بهتر شما می‌توانید از فیلم کاملی که در اول این صفحه آماده شده است استفاده کنید.