برای خرید سنسور دما باید محدوده دمایی، دقت، زمان پاسخ، نوع سیال یا سطح، ابعاد پراب و روش اتصال به کنترلر بررسی شوند. در صنعت، RTDهای مبتنی بر PT100 و PT1000 و انواع Thermocouple از پرکاربردترین روش‌های اندازه‌گیری دما هستند. PT100 و PT1000 بر اساس تغییر مقاومت الکتریکی کار می‌کنند، در حالی که ترموکوپل از اختلاف ولتاژ ایجادشده بین دو فلز متفاوت برای اندازه‌گیری دما استفاده می‌کند. سنسورها می‌توانند به‌صورت کابلی، هددار، رزوه‌ای یا همراه Thermowell عرضه شوند. برای انتقال سیگنال 4–20mA یا 0–10V نیز معمولاً از Temperature Transmitter مستقل یا یکپارچه با سنسور استفاده می‌شود.
سنسور دما یا Temperature Sensor وظیفه تبدیل دمای یک محیط، سیال، سطح یا قطعه به یک سیگنال قابل اندازه‌گیری را بر عهده دارد. در اتوماسیون صنعتی اطلاعات این Sensor می‌تواند به PLC، Temperature Controller، ترانسمیتر، نمایشگر یا سیستم مانیتورینگ منتقل شود. کنترل دمای مخزن، موتور، یاتاقان، روغن، آب، کوره، خط تولید و تجهیزات فرایندی از کاربردهای رایج این گروه هستند.
برای خرید سنسور دما نباید فقط به حداکثر دمای درج‌شده در Catalog توجه کرد. نوع RTD یا Thermocouple، محدوده واقعی فرایند، Accuracy، Response Time، طول و قطر Probe، Process Connection، جنس Sheath، نوع کابل، تعداد سیم‌ها و نیاز یا عدم نیاز به Temperature Transmitter باید متناسب با کاربرد انتخاب شوند.
Temperature Sensor تجهیزی است که تغییر دما را به یک تغییر الکتریکی قابل اندازه‌گیری تبدیل می‌کند. روش تبدیل این کمیت در انواع مختلف Sensor متفاوت است؛ برای مثال در RTD مقاومت الکتریکی با دما تغییر می‌کند و در Thermocouple یک ولتاژ وابسته به اختلاف دما ایجاد می‌شود.
سنسور خام الزاماً خروجی استاندارد صنعتی مانند 4–20mA ندارد. PT100 معمولاً یک Resistance Signal و Thermocouple یک سیگنال میلی‌ولتی تولید می‌کند. برای تبدیل این سیگنال‌ها به 4–20mA، 0–10V یا Communication معمولاً از Temperature Transmitter استفاده می‌شود.
بعضی Temperature Sensorهای صنعتی به‌صورت یکپارچه با Transmitter تولید می‌شوند. در چنین مدل‌هایی سنسور و مدار تبدیل سیگنال در یک مجموعه قرار دارند و مستقیماً خروجی استاندارد در اختیار PLC قرار می‌گیرد.
اندازه‌گیری دما بر اساس تغییر مقاومت الکتریکی؛ PT100 و PT1000 از رایج‌ترین انواع صنعتی هستند.
تولید ولتاژ وابسته به دما با استفاده از دو فلز متفاوت؛ مناسب بسیاری از کاربردهای دمای بالا.
مجموعه سنسور و مدار تبدیل برای ارائه سیگنال‌هایی مانند 4–20mA یا 0–10V در مدل‌های مربوط.
RTD مخفف Resistance Temperature Detector است. این Sensor از تغییر مقاومت یک عنصر حساس به دما برای محاسبه Temperature استفاده می‌کند.
در کاربردهای صنعتی، Platinum یکی از مهم‌ترین مواد مورد استفاده در RTD است. PT100 و PT1000 دو نمونه رایج هستند و مشخصات آن‌ها در استاندارد IEC 60751 تعریف می‌شود.
RTDهای Platinum به دلیل پایداری، تکرارپذیری و رفتار نسبتاً خطی برای بسیاری از کاربردهای اندازه‌گیری دقیق در محدوده دمای پایین و متوسط استفاده می‌شوند.
PT100 یک RTD پلاتینی است که مقاومت نامی آن در دمای 0°C برابر 100Ω است. با افزایش دما، مقاومت عنصر Platinum نیز طبق منحنی تعریف‌شده استاندارد افزایش پیدا می‌کند.
سیستم اندازه‌گیری مقاومت Sensor را دریافت کرده و آن را به Temperature تبدیل می‌کند. این سیستم می‌تواند یک Temperature Controller، PLC دارای ورودی RTD یا Temperature Transmitter باشد.
PT100 در ماشین‌آلات، فرایندهای صنعتی، آب، روغن، مخازن و خطوط تولید بسیار رایج است. محدوده دمای قابل استفاده نهایی به عنصر Sensor، Probe، Cable، Sheath، Accuracy Class و ساختار کامل تجهیز وابسته است.
PT100 و PT1000 هر دو Resistance Temperature Sensor پلاتینی هستند. تفاوت اصلی آن‌ها در مقاومت نامی در دمای 0°C است؛ PT100 برابر 100Ω و PT1000 برابر 1000Ω است.
مقاومت پایه بالاتر PT1000 باعث می‌شود اثر مقاومت سیم رابط در ساختار دو سیمه نسبت به PT100 کمتر باشد. با این حال Controller یا Transmitter باید از Sensor انتخاب‌شده پشتیبانی کند.
| ویژگی | PT100 | PT1000 |
|---|---|---|
| مقاومت در 0°C | 100Ω | 1000Ω |
| تکنولوژی | Platinum RTD | Platinum RTD |
| اثر مقاومت سیم در 2-Wire | بیشتر | نسبتاً کمتر |
در اتصال دو سیمه، مقاومت کابل به مقاومت Sensor اضافه می‌شود و می‌تواند خطای اندازه‌گیری ایجاد کند. هرچه کابل طولانی‌تر باشد، این اثر اهمیت بیشتری پیدا می‌کند.
در اتصال سه سیمه، سیستم اندازه‌گیری می‌تواند بخش زیادی از اثر مقاومت Lead Wire را جبران کند؛ به همین دلیل این روش در صنعت بسیار رایج است.
اتصال چهار سیمه امکان جبران دقیق‌تر مقاومت سیم را فراهم می‌کند و در اندازه‌گیری‌های دقیق‌تر استفاده می‌شود. ورودی Controller یا Transmitter باید با تعداد سیم Sensor سازگار باشد.
Thermocouple از دو هادی فلزی با جنس متفاوت تشکیل می‌شود که در نقطه اندازه‌گیری به یکدیگر متصل شده‌اند. اختلاف دمای Junction اندازه‌گیری و نقطه Reference باعث ایجاد ولتاژ ترموالکتریکی می‌شود.
این ولتاژ در محدوده میلی‌ولت قرار دارد و Controller یا Transmitter مخصوص Thermocouple با در نظر گرفتن نوع Sensor و Cold Junction Compensation آن را به Temperature تبدیل می‌کند.
Thermocouple برای بسیاری از کاربردهای دمای بالا، کوره، اگزوز، فرایند حرارتی و ماشین‌آلات مناسب است. WIKA برای خانواده Thermocouple صنعتی خود کاربردهایی تا حدود +1700°C را بسته به نوع Sensor و ساختار تجهیز معرفی می‌کند.
Thermocoupleها با Typeهای مختلفی مانند K، J، T، E، N، R، S و B شناخته می‌شوند. هر Type از ترکیب فلزی مشخصی استفاده می‌کند و محدوده دمایی، حساسیت و شرایط کاربرد مخصوص خود را دارد.
Type K یکی از انواع بسیار رایج صنعتی است، اما انتخاب Type فقط بر اساس رایج بودن آن صحیح نیست. حداکثر و حداقل دما، Atmosphere، Accuracy Class، Sheath Material و Controller موجود باید بررسی شوند.
برای Replacement باید Type ترموکوپل قبلی دقیقاً مشخص باشد. اتصال یک Type متفاوت به Controller بدون تغییر تنظیمات باعث نمایش Temperature اشتباه می‌شود.
پاسخ به محدوده دما و نوع کاربرد بستگی دارد. RTDهای Platinum در بسیاری از اندازه‌گیری‌های دمای پایین و متوسط به دلیل Accuracy، Stability و Repeatability انتخاب مناسبی هستند.
Thermocouple معمولاً Range دمایی گسترده‌تری در دماهای بالا ارائه می‌کند و Probeهای Mineral Insulated با قطر کم می‌توانند Response سریع و مقاومت مکانیکی مناسبی داشته باشند.
در سبد صنعتی WIKA، مقاومت‌سنج‌های Pt100/Pt1000 برای محدوده پایین و متوسط تا حدود +600°C بسته به ساختار Sensor استفاده می‌شوند، در حالی که بعضی Thermocoupleها تا حدود +1700°C قابل استفاده هستند. این اعداد حداکثر عمومی یک تکنولوژی نیستند و مدل نهایی باید جداگانه بررسی شود.
PT100 یا Thermocouple خام مستقیماً خروجی 4–20mA تولید نمی‌کند. برای ایجاد این سیگنال از Temperature Transmitter استفاده می‌شود.
Transmitter مقدار مقاومت یا میلی‌ولت Sensor را دریافت و آن را به یک Current Loop استاندارد تبدیل می‌کند. برای مثال می‌توان Range مورد نیاز را طوری تنظیم کرد که حد پایین Temperature برابر 4mA و حد بالا برابر 20mA باشد.
بعضی Resistance Thermometerهای صنعتی Transmitter داخلی دارند و مستقیماً 4–20mA ارائه می‌کنند. بنابراین هنگام سفارش باید مشخص شود Sensor خام نیاز دارید یا مجموعه Sensor + Transmitter.
Temperature Transmitterها بسته به مدل می‌توانند خروجی‌های استاندارد دیگری مانند 0–10V نیز ارائه کنند. ورودی PLC باید با نوع سیگنال انتخاب‌شده سازگار باشد.
در Sensorهای الکترونیکی جدید امکان استفاده از Communication دیجیتال نیز وجود دارد. انتخاب Interface باید بر اساس معماری سیستم، فاصله کابل و نیاز به Diagnostics یا Parameter Setting انجام شود.
Response Time نشان می‌دهد Sensor با چه سرعتی تغییر Temperature فرایند را دنبال می‌کند. قطر Probe، جنس Sheath، وجود Thermowell و نحوه تماس با Medium روی این زمان اثر دارند.
Probe نازک معمولاً پاسخ سریع‌تری دارد، اما ممکن است از نظر مقاومت مکانیکی یا Pressure محدودیت بیشتری داشته باشد. بنابراین سریع‌ترین Sensor همیشه بهترین انتخاب نیست.
Thermowell نیز با ایجاد یک لایه اضافی میان Process و Sensor می‌تواند Response Time را افزایش دهد، اما مزایای مهمی در حفاظت و تعمیرات دارد.
Thermowell یک محفظه محافظ است که Sensor داخل آن قرار می‌گیرد و آن را از تماس مستقیم با Process جدا می‌کند. این قطعه می‌تواند از Sensor در برابر Pressure، Flow، خوردگی یا آسیب مکانیکی محافظت کند.
یکی از مزایای Thermowell این است که در بسیاری از طراحی‌ها می‌توان Sensor را برای تعمیر یا Calibration خارج کرد، بدون اینکه Process Connection اصلی باز شود.
Material، طول Insertion، قطر و طراحی Thermowell باید متناسب با Pressure، Flow Velocity، Temperature و نوع Medium انتخاب شوند.
Temperature Probe می‌تواند به‌صورت Cable Sensor، Head-mounted، رزوه‌ای، فلنجی یا Probe ساده تولید شود. انتخاب ساختار بیشتر به شرایط مکانیکی و نحوه اتصال به Process بستگی دارد.
در مدل Head-mounted معمولاً Terminal Block یا Temperature Transmitter داخل Connection Head قرار می‌گیرد. در Cable Sensor سیم رابط مستقیماً از Probe خارج می‌شود.
طول Probe و Insertion Length نیز اهمیت زیادی دارند. اگر بخش حساس در محل مناسبی از Process قرار نگیرد، Temperature اندازه‌گیری‌شده ممکن است نماینده واقعی دمای Medium نباشد.
Sheath بخش فلزی محافظ Sensor است و باید با Temperature، Medium و شرایط مکانیکی سازگار باشد. Stainless Steel در بسیاری از کاربردهای صنعتی استفاده می‌شود، اما برای محیط‌های خاص ممکن است Material دیگری نیاز باشد.
خوردگی، اکسیداسیون، Pressure، Vibration و دمای بالا روی انتخاب Material اثر دارند. استفاده از Probe نامناسب در Medium خورنده می‌تواند عمر Sensor را به‌شدت کاهش دهد.
Accuracy Class سنسورهای Platinum بر اساس استاندارد و ساختار محصول مشخص می‌شود. Classهای AA، A و B در محصولات مبتنی بر IEC 60751 دیده می‌شوند.
Accuracy Class تنها عامل خطای کل سیستم نیست. مقاومت سیم، Transmitter، Calibration، Insertion Depth و انتقال حرارت از Process به Sensor نیز روی Measurement نهایی اثر دارند.
| پارامتر | نکته انتخاب |
|---|---|
| نوع Sensor | PT100، PT1000 یا Thermocouple متناسب با Range و Accuracy انتخاب شود. |
| Temperature Range | Minimum، Normal و Maximum Temperature واقعی مشخص شوند. |
| Accuracy | Accuracy Class و خطای کل Measurement System بررسی شوند. |
| Response Time | قطر Probe، Thermowell و سرعت تغییر فرایند در نظر گرفته شوند. |
| Process Connection | رزوه، Flange، Compression Fitting یا ساختار نصب بررسی شود. |
| Probe | طول، قطر و Insertion Depth متناسب با Process انتخاب شوند. |
| Material | Sheath و Thermowell با Medium و Temperature سازگار باشند. |
| Electrical Interface | RTD Input، Thermocouple Input یا Transmitter 4–20mA/0–10V مشخص شود. |
| Environment | Vibration، رطوبت، Pressure، مواد خورنده و IP Rating بررسی شوند. |
محل نصب باید نماینده واقعی Temperature فرایند باشد. نصب Probe بسیار نزدیک به دیواره سرد یا گرم، Heater یا جریان جانبی می‌تواند عددی متفاوت از دمای واقعی Medium ایجاد کند.
Insertion Depth کافی برای انتقال حرارت مناسب اهمیت دارد. در خط لوله باید محل نصب با قطر Pipe، سرعت Flow و طول Probe هماهنگ شود.
در RTD باید سیم‌بندی 2-Wire، 3-Wire یا 4-Wire مطابق Controller اجرا شود. برای Thermocouple نیز نوع Extension Cable، Polarity و سازگاری Connector اهمیت زیادی دارند.
قیمت سنسور دما به نوع PT100، PT1000 یا Thermocouple، Accuracy Class، Temperature Range، طول و قطر Probe، جنس Sheath، نوع Connection Head، Process Connection، کابل و تجهیزات جانبی بستگی دارد.
افزودن Temperature Transmitter، Thermowell یا ساختار مقاوم در برابر Pressure و محیط خورنده نیز قیمت مجموعه را تغییر می‌دهد. بنابراین دو Sensor با Range دمایی مشابه الزاماً از نظر ساختار و قیمت هم‌رده نیستند.
برای Replacement، کد کامل Sensor قبلی بهترین مرجع است. در صورت نبود کد باید Type، Range، طول و قطر Probe، Process Connection، تعداد سیم‌ها و نوع Controller مشخص شوند.
برای خرید سنسور دما ابتدا حداقل، دمای کاری عادی و حداکثر Temperature فرایند مشخص شوند. سپس بر اساس دقت، سرعت پاسخ و شرایط محیط میان RTD و Thermocouple انتخاب انجام می‌شود.
در مرحله بعد ابعاد Probe، Process Connection، Sheath Material و در RTD تعداد سیم‌ها تعیین می‌شوند. برای Thermocouple نیز Type و نوع کابل جبرانساز باید مشخص باشند.
اگر PLC به RTD یا Thermocouple Input مجهز نیست، Temperature Transmitter برای تبدیل سیگنال به 4–20mA یا 0–10V بررسی می‌شود. این روش باعث می‌شود مجموعه Sensor از ابتدا متناسب با سیستم کنترل انتخاب شود.
برای انتخاب Temperature Sensor، محدوده دما، RTD یا Thermocouple بودن، Accuracy، Response Time، ابعاد Probe، Process Connection و نوع ورودی سیستم کنترل را مشخص کنید. در صورت نیاز به سیگنال استاندارد، Temperature Transmitter مناسب نیز همراه Sensor انتخاب شود.
هنوز نظری ثبت نشده است. اولین نفر باشید!