انواع سنسورهای دما(ترموکوپل،PT100)
مقدمه
کنترل و اندازهگیری دما یکی از مهمترین بخشهای اتوماسیون صنعتی است. بسیاری از فرآیندهای صنعتی مانند صنایع غذایی، دارویی، پتروشیمی، فولاد، سیمان، نیروگاهها و سیستمهای HVAC برای عملکرد صحیح به اندازهگیری دقیق دما وابسته هستند. به همین دلیل انتخاب سنسور مناسب و روش صحیح اتصال آن به PLC اهمیت زیادی دارد.
امروزه در بیشتر سیستمهای اتوماسیون صنعتی، اندازهگیری دما توسط دو خانواده اصلی سنسورها انجام میشود؛ ترموکوپل (Thermocouple) و RTD (Resistance Temperature Detector). هر یک از این سنسورها دارای ویژگیهای خاصی هستند و با توجه به محدوده دمایی، دقت مورد نیاز، شرایط محیطی و نوع کنترل، انتخاب میشوند.
پس از اندازهگیری دما، مقدار بهدستآمده باید توسط PLC دریافت و پردازش شود. این کار معمولاً از طریق ماژولهای اختصاصی اندازهگیری دما یا ورودیهای آنالوگ PLC انجام میشود. انتخاب هر یک از این روشها به نوع سنسور، مدل PLC و امکانات سختافزاری سیستم بستگی دارد.
سنسورهای دما چیست؟
سنسور دما تجهیزی است که تغییرات دمای محیط یا یک فرآیند را به یک سیگنال الکتریکی تبدیل میکند تا تجهیزات کنترلی مانند PLC بتوانند آن را پردازش کنند.
در اتوماسیون صنعتی دو خانواده اصلی سنسورهای دما بیشترین کاربرد را دارند:
- ترموکوپل (Thermocouple)
- RTD یا سنسورهای مقاومتی (Resistance Temperature Detector)
هر دو سنسور وظیفه اندازهگیری دما را بر عهده دارند، اما نحوه عملکرد، نوع خروجی، دقت، محدوده اندازهگیری و روش اتصال آنها به PLC کاملاً متفاوت است.
ترموکوپل (Thermocouple)
ترموکوپل چیست؟
ترموکوپل یکی از پرکاربردترین سنسورهای دما در صنعت است که از اتصال دو فلز غیرهمجنس تشکیل میشود. هنگامی که محل اتصال این دو فلز در معرض تغییر دما قرار گیرد، ولتاژ بسیار کوچکی در حد میلیولت تولید میشود. مقدار این ولتاژ متناسب با دمای محل اندازهگیری است و توسط ماژول دما یا ترانسمیتر به مقدار قابل استفاده برای PLC تبدیل میشود.
به دلیل تحمل دمای بسیار بالا، ترموکوپل اولین انتخاب در کورههای صنعتی، صنایع فولاد، شیشه، ریختهگری و فرآیندهای حرارتی سنگین محسوب میشود.
مزایای ترموکوپل
- قابلیت اندازهگیری دماهای بسیار بالا
- سرعت پاسخ مناسب
- قیمت اقتصادی
- مقاومت زیاد در برابر لرزش و شرایط سخت صنعتی
- تنوع بالا برای کاربردهای مختلف
معایب ترموکوپل
- دقت کمتر نسبت به RTD
- خروجی بسیار ضعیف در حد میلیولت
- حساسیت بیشتر به نویز الکتریکی
- نیاز به جبران دمای اتصال سرد (Cold Junction Compensation)
انواع ترموکوپل
ترموکوپلها بر اساس نوع فلزهای بهکاررفته در ساخت آنها دستهبندی میشوند. هر نوع دارای محدوده دمایی و کاربرد خاص خود است.
ترموکوپل نوع K
رایجترین نوع ترموکوپل در صنعت است و به دلیل محدوده دمایی وسیع و قیمت مناسب، در اکثر ماشینآلات و کورههای صنعتی استفاده میشود.
ترموکوپل نوع J
برای دماهای متوسط و محیطهایی که دمای بسیار بالا وجود ندارد مناسب است.
ترموکوپل نوع T
دقت مناسبی در دماهای پایین دارد و در صنایع غذایی و آزمایشگاهی استفاده میشود.
ترموکوپلهای نوع R، S و B
این مدلها برای اندازهگیری دماهای بسیار بالا طراحی شدهاند و بیشتر در صنایع فولاد، شیشه و کورههای ذوب کاربرد دارند.
سنسورهای RTD
RTD چیست؟
RTD مخفف عبارت Resistance Temperature Detector به معنی «حسگر مقاومتی دما» است.
اساس کار RTD بر تغییر مقاومت الکتریکی فلز در اثر تغییر دما است. با افزایش دما، مقاومت عنصر حسگر نیز تغییر میکند و PLC یا ماژول دما با اندازهگیری این مقاومت، مقدار دمای واقعی را محاسبه میکند.
در مقایسه با ترموکوپل، سنسورهای RTD دقت بسیار بالاتری دارند و به همین دلیل در فرآیندهایی که کنترل دقیق دما اهمیت زیادی دارد، انتخاب اول مهندسان اتوماسیون هستند.
مزایای RTD
- دقت بسیار بالا
- تکرارپذیری مناسب
- پایداری طولانیمدت
- خطای اندازهگیری کم
- مناسب برای سیستمهای کنترل فرآیند
معایب RTD
- قیمت بیشتر نسبت به ترموکوپل
- تحمل دمای کمتر
- حساسیت بیشتر در برابر ضربههای مکانیکی
انواع RTD
یکی از رایجترین اشتباهات این است که PT100 را یک سنسور مستقل بدانیم، در حالی که PT100 یکی از اعضای خانواده RTD است.
پرکاربردترین انواع RTD عبارتاند از:
PT100
رایجترین سنسور RTD در صنعت است. عدد 100 نشان میدهد که مقاومت سنسور در دمای صفر درجه سانتیگراد برابر با 100 اهم است.
به دلیل دقت بالا، PT100 در صنایع غذایی، دارویی، پتروشیمی، نیروگاهها، ماشینآلات صنعتی و سیستمهای تهویه کاربرد گستردهای دارد.
PT1000
در این مدل، مقاومت سنسور در دمای صفر درجه برابر با 1000 اهم است. مقاومت بیشتر باعث میشود تأثیر مقاومت کابل کاهش یابد، بنابراین برای مسیرهای طولانی یا محیطهای دارای نویز الکتریکی گزینه مناسبتری است.
در برخی سنسورهای مقاومتی نیز از ضرایب دمایی PTC (Positive Temperature Coefficient) و NTC (Negative Temperature Coefficient) استفاده میشود. این ضرایب نشان میدهند که مقاومت سنسور با افزایش دما افزایش یا کاهش پیدا میکند و انتخاب آنها به نوع کاربرد، دقت موردنیاز و طراحی تجهیزات بستگی دارد.
اتصال سنسورهای دما به PLC
پس از انتخاب سنسور مناسب، مقدار اندازهگیریشده باید توسط PLC دریافت و پردازش شود. برای این منظور معمولاً از دو روش استفاده میشود که انتخاب هر یک به نوع سنسور، مدل PLC و تجهیزات موجود در سیستم بستگی دارد.
استفاده از ماژول اختصاصی اندازهگیری دما
بسیاری از تولیدکنندگان PLC مانند،teta, Siemens، Mitsubishi، Omron، Delta و Schneider ماژولهای اختصاصی برای اندازهگیری دما ارائه میکنند. این ماژولها بهطور مستقیم از سنسورهای RTD و انواع ترموکوپل پشتیبانی میکنند و مقدار دمای اندازهگیریشده را به داده قابل استفاده برای PLC تبدیل میکنند.
استفاده از این ماژولها علاوه بر افزایش دقت اندازهگیری، امکاناتی مانند تشخیص خطای سنسور، جبران خطاهای اندازهگیری و پایداری بیشتر سیستم را نیز فراهم میکند. به همین دلیل در پروژههایی که دقت و اطمینان اهمیت بالایی دارد، این روش بهترین انتخاب محسوب میشود.
استفاده از ورودی آنالوگ PLC
در برخی پروژهها، مقدار اندازهگیریشده توسط سنسور پس از تبدیل به یک سیگنال استاندارد توسط تجهیزات واسط، از طریق ورودی آنالوگ PLC دریافت میشود. در این روش، PLC مقدار دریافتشده را از کارت یا ماژول آنالوگ خوانده و در برنامه کنترلی برای نمایش، ثبت اطلاعات یا کنترل فرآیند مورد استفاده قرار میدهد.
این روش زمانی کاربرد دارد که PLC فاقد ماژول اختصاصی اندازهگیری دما باشد یا در طراحی سیستم استفاده از ورودیهای آنالوگ به دلایل فنی یا اقتصادی مناسبتر باشد.
مقایسه سنسورهای ترموکوپل و RTD
ترموکوپل و RTD هر دو برای اندازهگیری دما در سیستمهای اتوماسیون صنعتی استفاده میشوند، اما از نظر نحوه عملکرد، دقت، محدوده اندازهگیری و کاربرد تفاوتهای قابل توجهی دارند. انتخاب بین این دو سنسور به عواملی مانند محدوده دمای فرآیند، دقت مورد نیاز، شرایط محیطی و بودجه پروژه بستگی دارد.
| ویژگی | ترموکوپل (Thermocouple) | RTD (PT100 / PT1000) |
|---|---|---|
| اصل عملکرد | تولید ولتاژ در اثر اختلاف دمای دو فلز غیرهمجنس | تغییر مقاومت عنصر فلزی بر اثر تغییر دما |
| نوع خروجی | میلیولت (mV) | مقاومت (Ω) |
| دقت اندازهگیری | متوسط | بالا |
| پایداری در طول زمان | خوب | بسیار خوب |
| محدوده دمایی | مناسب برای دماهای بسیار بالا | مناسب برای دماهای پایین و متوسط با دقت بالا |
| سرعت پاسخ | بالا | متوسط |
| مقاومت در برابر لرزش و شوک | بالا | کمتر از ترموکوپل |
| هزینه | معمولاً کمتر | معمولاً بیشتر |
| کاربردهای متداول | کورهها، صنایع فولاد، ریختهگری، شیشه و فرآیندهای با دمای بالا | صنایع غذایی، دارویی، شیمیایی، ماشینآلات، سیستمهای HVAC و فرآیندهای نیازمند دقت بالا |
به طور کلی، اگر اندازهگیری دما در محدودههای بسیار بالا یا محیطهای سخت صنعتی مدنظر باشد، ترموکوپل انتخاب مناسبتری است. این سنسورها علاوه بر تحمل دمای بالا، در برابر لرزش و شرایط محیطی نامناسب نیز مقاومت خوبی دارند.
در مقابل، اگر دقت، تکرارپذیری و پایداری اندازهگیری اهمیت بیشتری داشته باشد، سنسورهای RTD بهویژه PT100 و PT1000 گزینه بهتری هستند. به همین دلیل در بسیاری از خطوط تولید، تجهیزات آزمایشگاهی و فرآیندهای صنعتی حساس، استفاده از RTD رایجتر است.
در نهایت نمیتوان یکی از این دو سنسور را به طور مطلق برتر دانست؛ زیرا هر کدام برای شرایط و کاربرد خاصی طراحی شدهاند. انتخاب صحیح زمانی انجام میشود که محدوده دمایی، شرایط محیطی، دقت مورد نیاز و نوع سیستم کنترل بهدرستی بررسی شوند.