مقدمة

مقاومة كاشف الحرارة Resistance Temperature Detector RTD أو حساسات المقاومة الحرارية Resistive Thermal Devices (RTDs) ، هي حساسات للحرارة تستغل التغيير المتوقع في المقاومة الكهربائية لبعض المواد نتيجة التغير في درجة حرارتها . نظرًا لأن تلك الحساسات تكون في أغلب الأحيان تقريبًا مصنوعة من البلاتين Platinum ، لذا غالبًا ما يطلق عليها ترمومترات المقاومة البلاتينية Platinum Resistance Thermometers (PRTs) . مقاومة كاشف الحرارة Resistance Temperature Detector RTD تحل ببطء محل استخدام المزدوجات الحرارية Thermocouples في العديد من التطبيقات الصناعية التي تقل عن 600 درجة مئوية ، بسبب الدقة Accuracy العالية والتكرارية Repeatability العالية.

 

مقاومة كاشف الحرارة RTD هي في الأساس مقاومة حساسة لدرجة الحرارة. وهي عنصر ذو معامل درجة حرارة موجب Positive Temperature Coefficient ، مما يعني أن المقاومة تزداد مع زيادة درجة الحرارة. لأن مقاومة المعدن تزداد مع زيادة درجة الحرارة. خاصية المقاومة للمعدن تسمى المقاومة Resistivity . خاصية المقاومة تحدد كلا من الطول ومساحة المقطع المطلوبين لتصنيع مقاومة كاشف الحرارة RTD بقيمة معينة. المقاومة تتناسب طرديا مع الطول وتتناسب عكسيا مع مساحة المقطع Cross Sectional Area . م(4)

.

مواد تصنيع مقاومة كاشف الحرارة RTD Materials

 

المعيار الخاص باختيار مادة تصنع مقاومة كاشف الحرارة RTD هو:

 

• يجب أن تكون المادة مرنة Malleable بحيث يمكن تشكيلها إلى أسلاك صغيرة.

 

• يجب أن يكون لها ميل Slope أو منحنى Curve مستقر Stable وقابل للتكرار Repeatable .

 

• يجب أن تكون المادة أيضًا مقاومة للتآكل Corrosion .

 

• يجب أن تكون المادة منخفضة التكلفة.

 

• يفضل أن يكون للمادة مقاومة خطية Linear Resistance مقابل التغير في درجة الحرارة. م(4)

.

حساس RTD والاستقرار Stability

 

هذا قياس للانجراف Drift الناتج بمرور الوقت. غالبًا ما يشار إلى هذا الاستقرار Stability على المدى الطويل. معظم الشركات المصنعة تحدد الاستقرار Stability عند أقل من 0.05 درجة مئوية في السنة. الاستقرار Stability يتأثر بنوع تصميم المستشعر. المستشعر المصمم جيدًا وعالي الجودة سيكون أقل انجرافًا. يتأثر الاستقرار أيضًا بالبيئة التي سيعمل فيها حساس الحرارة ، والصدمة الحرارية Thermal Shock تؤثر أيضا على الاستقرار. م(4)

.

حساس RTD و زمن الاستجابة Response Time

 

زمن الاستجابة Response Time هو قدرة المستشعرات على التفاعل مع التغيرات في درجات الحرارة الخاصة بالعملية الإنتاجية Process . تعتمد القدرة على تتبع تغييرات في حرارة العملية الإنتاجية Process على كلا من الكتلة الحرارية لحساسات الحرارة ومدي قربها من العملية الإنتاجية Process . عادةً ما تكون الحساسات من نوع الغمر المباشر Direct Immersion هي الأسرع استجابة ، ولكن في العديد من التطبيقات يتم استخدام بئر حراري Thermowell لمنع الحاجة إلي إيقاف التشغيل أو الحاجة إلي تصريف مادة المنتج لتغيير حساس الحرارة . م(4)

.

حساس RTD وأسلاك التوصيل Extension Cable Effect

 

إن تأثير مقاومة أسلاك التوصيل لا يُستهان بها ، حتى في الحالة التي تكون فيها المسافة بين مستشعرات RTD والدوائر الإلكترونية المتصلة بها بضعة أمتار.

 

يتم تثبيت جهاز الإرسال Transmitter وحساس RTD في مكان قريب. حيث يزداد خطأ القياس Measurement Error مع زيادة المسافة بين المرسل Transmitter وحساس RTD .

.

حساس الحرارة من النوع Pt100

 

حساسات الحرارة من النوع Pt100 هي النوع الأكثر شيوعًا بين حساسات مقاومة الحرارة البلاتينية Platinum Resistance Thermometer . يشير المقطع Pt إلى أن المستشعر مصنوع من البلاتين Platinum (Pt) . وتشير القيمة 100 إلي أن المستشعر عند 0 درجة مئوية لديه مقاومة مقدارها 100 أوم (Ω).

.

حساس RTD و قنطرة ويتستون Wheatstone Bridge

للكشف عن التغييرات الصغيرة في مقاومة كاشف الحرارة RTD ، يتم استخدام جهاز مُرسل للحرارة على شكل قنطرة ويتستون Wheatstone Bridge بشكل عام. تقارن الدائرة قيمة مقاومة كاشف الحرارة RTD بثلاثة مقاومات أخري معروفة وعالية الدقة.

.

مميزات وعيوب مقاومة كاشف الحرارة Advantages and Disadvantages of Resistance Temperature Detector RTD

 

الحساس Sensor	المميزات Advantages	العيوب Disadvantages
المزدوج الحراري Thermocouple	§       بسيط Simple . §       غير مكلف Inexpensive . §       مجموعة كبيرة ومتنوعة Large Variety . §       مدي كبير لدرجة الحرارة Large Temperature Range . §       متين Rugged . §       «طاقة ذاتية Self-powered»	§       غير خطي Non linear . §       جهد منخفض Low Voltage . §       تحتاج لمرجع Require Reference . §       أقل استقرارا Less Stable .
مقاومة كاشف الحرارة RTD	§       أكثر استقرارا More Stable . §       أكثر دقة More Accurate . §       أكثر خطية More Linear .	§       غالي الثمن Expensive . §       الحاجة لمصدر تغذية Current Source Required §       صغير Small . §       التسخين الذاتي Self Heating . §       مقاومة قاعدة صغيرة Small Base Resistance .

.

مقارنة من أوجه أخري

 

وجه المقارنة Criteria	المزدوج الحراري Thermocouple	مقاومة كاشف الحرارة RTD
التكلفة Cost	منخفضة Low .	عالية High .
مدي درجة الحرارة Temperature range	كبير جدا من -450 إلي 4200 فهرنهيت	كبير من -400 إلي 1200 فهرنهيت
القابلية للإستبدال Interchangeability	جيد Good .	ممتاز Excellent .
الاستقرار طويل المدى Long Term Stability	مقبول Fair .	جيد Good .
الدقة Accuracy	متوسطة Medium .	عالي High .
قابلية الإحساس Sensibility (الخرج Output)	منخفض Low .	متوسط Medium .
قابلية الإحساس Sensibility (الطرف Tip)	ممتاز Excellent .	مقبول Fair .
زمن الاستجابة Response Time	متوسط Medium أو سريع Fast .	متوسط Medium .
الخطية Linearity	مقبول Fair .	جيد Good .
التسخين الذاتي Self Heating	لا يوجد None .	منخفض Low .
تأثير كابل التمديد Extension Cable Effect	عالي High .	متوسط Medium .
أبعاد الحساس Sensor Dimension	من صغير جدا إلي كبير الحجم	من صغير إلي متوسط

.

التسخين الذاتي Self-Heating

 

نظرًا لأن RTD يقيس درجة الحرارة عن طريق تمرير تيار عبر المقاوم (مقاومة كاشف الحرارة RTD) ، يحدث الخطأ Error المعروف باسم التسخين الذاتي Self-Heating .

 

كلا من كتلة مستشعر الحرارة Sensor’s Mass بشكل أساسي وبنيته الداخلية وتيار القياس Measurement Current وبدرجة كبيرة الظروف البيئية تحدد حجم هذا الخطأ Error . عادةً ما يتم استخدام تيار صغير جدًا ، عادةً 1-5 مللي أمبير في دائرة الإثارة Excitation Circuit لتقليل تسخين حساس الحرارة. تقنية البناء الداخلي Internal Construction للحساسات الحرارية Thermo Sensors تعمل على زيادة جودة نقل الحرارة لتقليل تأثيرها بشكل أكبر.

 

في الحالات التي تتطلب استخدام ملحقات كبيرة الحجم مثل الآبار الحرارية Thermowells أو أنابيب الحماية Protective Tubes والتي تتسبب في تكوين بيئة ذات هواء ساكن أو بطئ الحركة حول حساس الحرارة، هذه الحالات ستتعرض بشكل كبير لمشكلة التسخين الذاتي Self-Heating أكثر من الحالة التالية المعاكسة.

 

يمكن لحساس حرارة مثبت بطريقة الغمر المباشر Direct Immersion Probe وذو قطر خارجي صغير مقداره 0.25 بوصة، ومثبت في وسط مياه متدفقة (بحد أدنى من معدل السريان مقداره 3 أقدام / ثانية) يمكنها تبديد الخطأ تمامًا.

 

لحسن الحظ ، إذا تم استخدام تيار قياس صغير (1-2 مللي أمبير) ، فستكون أخطاء التسخين الذاتي Self-Heating Errors ضمن المستويات المقبولة للتطبيقات الصناعية.

 

لتقريب مقدار الخطأ ؛ ضع في اعتبارك أن ثابت التبديد Dissipation Constant سيكون عادة بحجم 20-100 ملي واط/0 درجة مئوية ، واستخدم العلاقة التالية. م(3)

.

خطأ التسخين الذاتي Self-heating Error = (القدرة Power)\(ثابت تبديد الحرارة Dissipation constant)

.

مثال:

 

• تيار القياس Measurement current هو 2 ملي أمبير.

 

• مقاومة حساس الحرارة Resistance of sensor هي 140 أوم .

 

• ثابت التبديد Dissipation Constant هو 50 ملي واط/0 درجة مئوية.

.

الحل

 

القدرة Power = I2R
القدرة = (0.002)2 X 140 = 0.56 ملي وات mw .
الخطأ Error = (0.56 ملي وات)\( 50 ملي واط/0 درجة مئوية) = 0.011 درجة مئوية °C .

.

قابلية الاستبدال Interchangeability

 

قابلية الاستبدال Interchangeability هي قياس التباين في السماحية الأساسية Base Tolerance وفي معامل درجة الحرارة Temperature Coefficient من حساس حرارة إلى آخر. هذا مهم عند استبدال حساس الحرارة ، لضمان احتفاظ النظام بخصائص الأداء Performance Characteristics ذات الصلة دون إعادة المعايرة Re-Calibration . يجب أن يعرف مصممو الأنظمة ما هي السماحية الخاصة بحساس الحرارة والتي ستدعم توقعات أدائهم عند تحديد نوع المستشعر Sensor . م(4)

 

حساسات مقاومة كاشف الحرارة RTD من النوع ذات الملفا اللولبي Coil wound ، لها تكلفة أعلي من الثرمستورات Thermistors ، ولكنها أكثر استقرارًا Stable ، لذلك لا يلزم معها عادةً إعادة المعايرة Recalibration المنتظمة.

 

وللعلم، الثرمستور Thermistor هي عبارة عن مقاومة لها معامل درجة حرارة سالب Nigative Temperature Coefficient ، أي أن مقاومتها تقل بزيادة درجة الحرارة.

.

الآبار الحرارية Thermowells

 

ذكرنا سابقا أن الآبار الحرارية Thermowells تؤثر علي زمن الاستجابة Response Time ، ونحن نعرف أنه كلما قل زمن الاستجابة كان ذلك أفضل، لأنه يدل علي متابعة سريعة للتغير في درجة الحرارة. ورغم ذلك هناك الكثير من التطبيقات تحتاج إلي استخدام الآبار الحرارية Thermowells مع حساس الحرارة، مع الأخذ في الاعتبار تأثيرها علي زمن الاستجابة.

 

تستخدم الآبار الحرارية Thermowells (جراب حساس الحرارة) مع مستشعرات وحساسات الحرارة مثل المزدوجات الحرارية Thermocouples والثرمستورات Thermistors والحساسات ثنائية المعدن Bimetal Thermometers لحمايتها ضد التلف الناتج عن الضغط المفرط وسرعة سريان المواد والتآكل. كما أنها تزيد من طول عمر المستشعر ، وتسمح باستبدال المستشعر في حالة تلفه دون الحاجة لإيقاف التشغيل وتصريف الضغط وتقليل احتمالية تراكم الملوثات علي حساسات الحرارة.

.

مراجع References

 

1- LNG Tank Monitoring – Application Note – SmarTec – PDF

2- Sensors for LNG storage and distribution – senmatic

3- Application and Technical Data – thermosensors

4- Resistance Temperature Detector – thermometricscorp

.

 

الوسوم:RTD, Temperature