تفاوت سنسورهای RTD دارای ۲ و ۳ و ۴ سیم در چیست

مدارهای RTD با ارسال مقدار مشخصی از جریان از طریق حس‌گر RTD و سپس سنجش افت ولتاژ در آن مقاومت، کار می‌کنند. هر عنصر Pt100 در مدارِ دارندۀ عنصر حسی، ازجمله سیم‌های سرب، متصل‌کننده‌ها و خود دستگاه اندازه‌گیری، مقاومت اضافی را وارد مدار می‌کند، مشخص کردن مقاومت‌های ناخواسته در هنگام اندازه‌گیری افت ولتاژ در عنصر حسی RTD اهمیت دارد.

چگونگی پیکربندی مدار مشخص می‌کند مقاومت حس‌گر با چه دقتی قابل محاسبه است و تا چه میزان درجه حرارتی ممکن است با مقاومت بیرونی در مدار تحریف شود. ازآنجاکه سیم سربی به‌کاررفته بین عنصر مقاومت و ابزار سنجش خود دارای مقاومت است، باید وسیله‌ای برای جبران این عدم دقت فراهم کنیم.

دایره، مرزهای عنصر مقاومت را تا نقطه کالیبراسیون نشان می‌دهد. پیکربندی ۳ یا ۴ سیمی باید از نقطه کالیبراسیون گسترش یابد تا همه مقاومت‌های غیرقابل درجه‌بندی جبران شوند.

مقاومت RE ، مقداری است که اندازه‌گیری دقیق دما را برای ما مشخص می‌کند. متأسفانه، هنگامی اندازه‌گیری مقاومت، خودِ دستگاه RTOTAL را نشان خواهد داد:

جایی که

RT = R1 + R2 + RE

این، دمایی بالاتر از اندازه‌گیری واقعی را نشان خواهد داد. در بسیاری از سیستم‌ها، با کالیبره کردن، این مورد حذف می‌شود. اکثر RTD ها، سیم سومی را با مقاومت R3  به کار می‌برند. این سیم به همراه سرب ۲، به یک طرف عنصر مقاومت وصل خواهد شد.

استفاده از سرب‌ها و اتصال‌دهنده‌های باکیفیت می‌تواند این خطا را کاهش دهد اما از بین بردن کامل آن غیرممکن است. سیم‌سنجی بزرگ‌تر با مقاومت کمتر، خطا را به حداقل خواهد رساند. پیکربندی RTD   با دو سیم به همراه حس‌گرهایی با مقاومت بالا در برنامه‌هایی که دقت زیادی لازم نیست، بسیار مفید است.

اگر سه سیم یکسان به‌کار روند و طول آن‌ها برابر باشد یعنی: R1 = R2 = R3

با اندازه‌گیری مقاومت از طریق سرب‌های ۱، ۲ و عنصر مقاومت، مقاومت کل سیستم اندازه‌گیری می‌شود؛

 (R1 + R2 + RE)

اگر مقاومت نیز از طریق سرب‌های ۲ و ۳ (R2 + R3) اندازه‌گیری شود، مقاومت سیم‌های سربی را به دست می‌آوریم. ازآنجایی‌که مقاومت همه سیم‌های سربی برابر است، این مقدار (R2 + R3) را از مقاومت کل سیستم (R1 + R2 + RE) کم می‌کنیم. در این حالت فقط RE باقی می‌ماند و دما به صورت دقیقی اندازه‌گیری می‌شود.

نکته: اندازه‌گیری در صورتی دقیق خواهد بود که هر سه سیم متصل، مقاومت یکسان داشته باشند.

خطاهای اندازه‌گیری پل ۳ سیم

اگر میزان  VS و VO  مشخص باشد، می‌توان Rg را به دست آورد و بعد برای اندازه‌گیری دما از آن استفاده کرد. با ولتاژ نامتعادل VO ، پل ایجادشده با R1 = R2 به شرح زیر است:

مقدار خطا در صورتی کوچک خواهد بود که Vo کوچک باشد. به‌عبارتی‌دیگر، پل  نزدیک به تعادل باشد. این مدار به‌خوبی با  دستگاه‌هایی مثل کشش‌سنج‌ها همخوانی دارد که مقدار مقاومت را با اختلاف چند درصد  تغییر می‌دهند؛ RTD مقاومت را به‌صورت چشم‌گیری با دما تغییر می‌دهد.

فرض کنید مقاومت RTD برابر ۲۰۰ اهم باشد و پل  برای صد اهم طراحی شده باشد. ازآنجایی‌که مقدار RL را نمی‌دانیم، باید از معادله اول استفاده کنیم. پاسخ درست ۲۰۰ اهم است.  خطای دما، حدود ۲٫۵ درجه سانتی‌گراد است.

برای پرهیز از این خطا، شما باید بتوانید مقاومت RL یا تعادل پل را بسنجید. تکنیک سه سیم اولیه شیوه‌ای دقیق برای سنجش دمای مطلق با RTD  نیست. رویکرد بهتر استفاده از  تکنیک چهار سیمی است.

اتصالات RTD چهار سیمی

شرح مختصر تصویر: این پیچیده‌ترین نوع پیکربندی است و بنابراین  نصب آن وقت‌گیر و پرهزینه است اما نتایج دقیق‌تری ارائه می‌کند.

ولتاژ خروجی پل اشاره‌ای غیرمستقیم به مقاومت RTD دارد. پل به چهار سیم اتصال، یک منبع بیرونی و سه مقاومت با ضریب دمای صفر نیاز دارد. برای اجتناب از مشروط‌شدن سه مقاومت کامل پل به دمای یکسان،  RTD با یک جفت سیم رابط جدا از پل نیاز است.

در پیکره‌بندی RTD چهار سیمی، دو سیم  عناصر حسی را به دستگاه مانیتورینگ در هر دو طرف عنصر حسی متصل می‌کند.  مجموعه‌ای از سیم‌ها،  جریان به‌کاررفته را برای اندازه‌گیری نشان می‌دهند و مجموعه دیگر افت ولتاژ را بر  مقاومت اندازه‌گیری می‌کند.

با پیکره‌بندی چهار سیم، ابزار از جریان ثابت (I) از طریق سرب‌های بیرونی ۱ و ۴ عبور می‌کند. پل ویتستون رابطه‌ای غیرخطی بین تغییر مقاومت و تغییر ولتاژ خروجی پل ایجاد می‌کند. این  ویژگی دما-مقاومت غیرخطی قبلی  RTD را با لزوم یک معادله اضافی برای تبدیل ولتاژ خروجی به امپدانس RTD معادل ترکیب می‌کند.

افت ولتاژ در  طول سرب‌های داخلی، ۲ و ۳ اندازه‌گیری می‌شود؛ بنابراین از طریق  V = IR، مقاومت عنصر را بدون هیچ تأثیری از مقاومت سیم سربی به دست می‌آوریم.