روش های اتصال RTD های 2-3-4 سیمه ترانسمیتر های هد مونت دما

اتصال RTD های 2-3-4 سیمه ترانسمیتر های هد مونت دما

پیش از اینکه به سراغ روش های اتصال RTD برویم، بهتر است بدانید که تمام دستگاه‌ های موجود در یک حلقه جریان 4-20 میلی آمپری، برای کارکرد خود باید از جایی تغذیه شوند. دستگاه های دو سیمه توان خود را از خود حلقه سیگنال فرآیند یعنی مستقیماً از کارت های ورودی آنالوگ سیستم DCS / PLC دریافت می کنند. برق حلقه معمولاً از برق حلقه یا نوع دیگری از منبع تغذیه خارجی (در مورد 4 سیم) می آید. بعلاوه تمام توان سیستم ها و خطوط راه اندازی از طریق سیم هایی که سیگنال اطلاعات را نیز حمل می کنند، می رود.

حتما بخوانید :

ترموکوپل چیست؟ کاربرد آن

سنسور RTD چیست؟ کاربرد آن

اتصالات دو، سه و چهار سیمه

از آنجایی که این راه‌اندازی فقط به دو سیم نیاز دارد، ابزارهای حلقه‌دار به عنوان دستگاه‌ های دو سیم نیز شناخته می‌شوند. در مقابل، دستگاه های سه سیمه و چهار سیمه، توان مورد نیاز برای عملکرد را از منبع تغذیه ای دریافت می کنند که جدا (اما نه لزوماً ایزوله) از حلقه جریان است. این دستگاه ها نمی توانند به صورت حلقه ای تغذیه شوند. یک اتصال چهار سیمه از حلقه جریان به عنوان وسیله ای برای انتقال سیگنال فرآیند 4-20 میلی آمپر استفاده می شود.

این نوع اتصال نیروی مورد نیاز خود را از حلقه فعلی نمی گیرد. این یک افت ولتاژ در حلقه ایجاد می کند. اما این افت ولتاژ در مقایسه با دستگاهی که از حلقه، تغذیه می کند حداقل است. در عوض برق مورد نیاز دستگاه های چهار سیم توسط یک منبع تغذیه خارجی تامین می شود. این برق می تواند منبع تغذیه متناوب یا مستقیم باشد زیرا دستگاه به طور مستقل از حلقه جریان مستقیم تغذیه می شود.

24 منبع VAC یا VDC رایج هستند، همانطور که 120 یا 240 VAC رایج است. همه چیز به مشخصات دستگاه بستگی دارد. دستگاه های متصل چهار سیم جدا شده در حلقه جاری “شناور” می شوند. این بدان معنی است که سیم سیگنال مشترک یا فرآیند برگشت از دستگاه به زمین منبع تغذیه متصل نمی شود. همانطور که از نام “چهار سیم” مشخص است، دو سیم منبع تغذیه را به دستگاه و دو سیم سیگنال فرآیند را به دستگاه متصل می کنند. بنابراین، جداسازی در سیستم تعبیه شده است. هیچ ارتباط الکتریکی بین منبع تغذیه و سیگنال فرآیند وجود ندارد.

تفاوت اتصال سه و چهار سیمه

اساساً اتصال سه سیمه همان اتصال چهار سیمه است و تنها تفاوت آن ها این است که جداسازی مورد بحث وجود ندارد. یک دستگاه سه سیم در مقایسه با حلقه فعلی شناور نمی شود. در اتصال سه سیم، سیگنال فرآیند برگشت از دستگاه و مشترک منبع تغذیه یک اتصال مشترک است. مدارهای RTD با ارسال مقدار مشخصی جریان از طریق سنسور RTD و سپس اندازه گیری افت ولتاژ در آن مقاومت در دمای معین کار می کنند. از آنجایی که هر عنصر Pt100 در مدار حاوی عنصر حسگر – از جمله سیم‌ های سرب، کانکتورها و خود ابزار اندازه‌گیری – مقاومت بیشتری را به مدار وارد می‌کند. مهم است که بتوان مقاومت‌های ناخواسته را هنگام اندازه‌گیری افت ولتاژ در مدار، اندازه‌گیری کرد. نحوه پیکربندی مدار تعیین می‌کند که مقاومت سنسور با چه دقتی می‌تواند محاسبه شود، و میزان خوانش دما ممکن است توسط مقاومت خارجی در مدار تحریف شود.

مواد سیمی سنسور های RTD

هنگام تعیین مواد اولیه سیم RTD، باید دقت کرد که سیم های سربی مناسب برای دما و محیطی که سنسور در معرض آن قرار می گیرد، انتخاب شود. هنگام انتخاب سیم های سربی، درجه حرارت بسیار مهم است. با این حال، ویژگی های فیزیکی مانند مقاومت در برابر سایش و ویژگی های غوطه وری در آب نیز می تواند مهم باشد. سه سازه محبوب عبارتند از:

• پروب های عایق پی وی سی محدوده دمایی 40- تا 105 درجه سانتیگراد را با مقاومت سایشی خوب و قابل استفاده برای غوطه وری در آب ارائه می دهند.
• پروب های pt100 با عایق PFA محدوده دمایی 267- تا 260 درجه سانتی گراد را با مقاومت سایشی عالی ارائه می دهند. آنها همچنین برای برنامه های غوطه وری در آب عالی هستند.
• اگرچه پروب‌های pt100 عایق‌شده با فایبر گلاس محدوده دمایی بالاتری از -73 تا 482 درجه سانتی‌گراد را ارائه می‌دهند، عملکرد آن در شرایط سایش یا غوطه‌ور شدن در آب چندان مؤثر نیست.

از آنجایی که سیم سربی که بین عنصر مقاومت و ابزار اندازه‌گیری استفاده می‌شود. خود مقاومتی دارد، باید وسیله‌ای برای جبران این عدم دقت نیز تهیه کنیم. پیشنهاد می شود برای انتخاب سیم درست و مرتبط با اتوماسیون صنعتی و راه اندازی خطوط تولید خود از مشاوره و کمک مشاورین ما بهره ببرید. جهت دریافت مشاوره رایگان میتوانید با ما تماس بگیرید. همچنین فرم درخواست مشاوره را کامل کنید تا تکنسین های ما در کمترین زمان ممکن با شما تماس بگیرند.

حتما بخوانید : انواع سنسور های دما (ترموکوپل، ترمیستور و RTD)

مقاومت در برابر تبدیل دما

RTD یک دستگاه خطی تر از ترموکوپل است اما همچنان نیاز به منحنی دارد. معادله Callendar-Van Dusen سالهاست که برای تقریب منحنی RTD استفاده شده است:

جایی که:

RT = مقاومت در دمای T

Ro = مقاومت در T = 0ºC

α = ضریب دما در T = 0ºC ((معمولا +0.00392Ω/Ω/ºC))

δ = 1.49 (مقدار معمولی برای پلاتین 0.00392)

β = 0 T > 0 0. 11 (معمولی) T < 0

مقادیر دقیق ضرایب α، β و δ با آزمایش RTD در چهار دما و حل معادلات حاصل تعیین می شود. این معادله آشنا در سال 1968 با یک چند جمله ای مرتبه 20 جایگزین شد تا برازش منحنی دقیق تری ارائه شود. نمودار این معادله نشان می دهد که RTD یک دستگاه خطی تر از ترموکوپل است.

پیکربندی سیم کشی RTD

سه نوع پیکربندی سیم، 2 سیم، 3 سیم و 4 سیم وجود دارد که معمولاً در مدارهای سنجش RTD استفاده می شود. پیکربندی 2 سیم با یک حلقه جبرانی نیز یک گزینه است.

2 سیم اتصال RTD

پیکربندی RTD 2 سیم ساده ترین در میان طرح های مدار RTD است. در این پیکربندی سریال، یک سیم منفرد هر انتهای عنصر RTD را به دستگاه نظارت متصل می کند. از آنجایی که مقاومت محاسبه شده برای مدار شامل مقاومت در سیم های سرب و کانکتورها و همچنین مقاومت در عنصر RTD می شود، نتیجه همیشه حاوی درجاتی از خطا خواهد بود. دایره مرزهای عنصر مقاومت را تا نقطه کالیبراسیون نشان میدهد. پیکربندی 3 یا 4 سیم باید از نقطه کالیبراسیون گسترش یابد تا تمام مقاومت های کالیبره نشده جبران شود.
مقاومت RE از عنصر مقاومت گرفته شده است و مقداری است که اندازه گیری دقیق دما را به ما می دهد. متأسفانه، وقتی مقاومت خود را اندازه گیری می کنیم، ابزار RTOTAL را نشان می دهد:

جایی که: RT = R1 + R2 + RE

این یک بازخوانی دمایی بالاتر از اندازه گیری واقعی ایجاد می کند. بسیاری از سیستم ها را می توان برای حذف این کالیبره کرد. اکثر RTD ها از سیم سوم با مقاومت R3 استفاده می کنند. این سیم به همراه سرب 2 به یک طرف عنصر مقاومتی متصل می شود. اگرچه استفاده از لیدها و کانکتورهای آزمایشی با کیفیت بالا می تواند این خطا را کاهش دهد، حذف کامل آن غیرممکن است. سیم گیج بزرگتر با مقاومت کمتر، خطا را به حداقل می رساند. پیکربندی RTD 2 سیم برای سنسور های با مقاومت بالا یا در کاربرد هایی که دقت زیادی لازم نیست مفیدترین است.

3 سیم اتصال RTD

پیکربندی RTD 3 سیم، رایج ترین طراحی مدار RTD است که در فرآیند های اتوماسیون صنعتی و برنامه های نظارت قابل مشاهده است. در این پیکربندی، دو سیم عنصر حسگر را در یک طرف عنصر حسگر به دستگاه نظارت وصل می‌کند و یکی آن را در طرف دیگر خود وصل می‌کند. اگر از سه نوع سیم یکسان استفاده شود و طول آنها برابر باشد، R1 = R2 = R3. با اندازه گیری مقاومت از طریق لیدهای 1، 2 و عنصر مقاومت، مقاومت کل سیستم اندازه گیری می شود (R1 + R2 + RE ).

اگر مقاومت از طریق سیم‌های 2 و 3 (R2 + R3) نیز اندازه‌گیری شود، مقاومت فقط سیم‌های سرب را به دست می‌آوریم. از آنجایی که تمام مقاومت‌های سیم سربی برابر هستند، این مقدار (R2 + R3) را از مقاومت کل سیستم کم می‌کنیم ( R1 + R2 + RE) فقط RE را برای ما باقی می گذارد و اندازه گیری دقیق دما انجام شده است. همچنین از آنجایی که این یک نتیجه متوسط است، اندازه گیری تنها در صورتی دقیق خواهد بود که هر سه سیم اتصال مقاومت یکسانی داشته باشند.

جهت خرید هرگونه تجهیزات صنعتی به فروشگاه دکتر پی ال سی مراجعه نمایید.

خطاهای اندازه گیری پل سیمی معادله مقاومت RTD

اگر VS و VO را بدانیم، می توانیم Rg را پیدا کرده و سپس دما را حل کنیم. ولتاژ نامتعادل VO پل ساخته شده با R1 = R2 است:

اگر Rg = R3، VO= 0 و پل متعادل باشد. این را می‌توان به صورت دستی انجام داد. اما اگر نمی‌خواهیم تعادل پل دستی را انجام دهیم، فقط می‌توانیم Rg را از نظر VO حل کنیم. این عبارت مقاومت سرب را صفر فرض می کند. اگر Rg در فاصله ای از پل در یک پیکربندی 3 سیم قرار گیرد، مقاومت سرب RL به صورت سری با Rg و R3 ظاهر می شود. دوباره معادله 2 مقاومت Rg.RTD را حل می کنیم.

اگر Vo کوچک باشد، یعنی پل نزدیک به تعادل باشد، عبارت خطا کوچک خواهد بود. این مدار با دستگاه هایی مانند کرنش سنج که مقدار مقاومت را تنها چند درصد تغییر می دهند، به خوبی کار می کند، اما یک RTD مقاومت را به طور چشمگیری با دما تغییر می دهد. فرض کنید مقاومت RTD 200 اهم است و پل برای 100 اهم طراحی شده است:

از آنجایی که ما مقدار RL را نمی دانیم، باید از معادله (a) استفاده کنیم، بنابراین به دست می آوریم:

پاسخ صحیح البته 200 اهم است. این خطای دمایی حدود 2.5 درجه سانتیگراد است. مگر اینکه واقعا بتوانید مقاومت RL را اندازه گیری کنید یا پل را متعادل کنید، تکنیک پایه 3 سیم روش دقیقی برای اندازه گیری دمای مطلق با RTD نیست. یک روش بهتر استفاده از تکنیک 4 سیم است.

4 سیم اتصال RTD

این پیکربندی پیچیده‌ترین و در نتیجه زمان‌ برترین و گران‌ترین نصب است، اما دقیق‌ترین نتایج را ایجاد می‌کند. ولتاژ خروجی پل نشانه غیر مستقیم مقاومت RTD است. پل به چهار سیم اتصال، یک منبع خارجی و سه مقاومت که ضریب دمایی صفر دارند نیاز دارد. برای جلوگیری از قرار دادن سه مقاومت تکمیل پل در دمای مشابه سنسور RTD، RTD توسط یک جفت سیم کششی از پل جدا می شود. این سیم های اکستنشن مشکلی را که در ابتدا داشتیم را دوباره ایجاد می کنند. امپدانس سیم های اکستنشن بر خواندن دما تأثیر می گذارد. این اثر را می توان با استفاده از پیکربندی پل سه سیمه به حداقل رساند.

در یک پیکربندی RTD 4 سیمی، دو سیم عنصر حسگر را به دستگاه نظارت در دو طرف عنصر حسگر متصل می‌کنند. یک مجموعه سیم جریان مورد استفاده برای اندازه گیری را تحویل می دهد و مجموعه دیگر افت ولتاژ مقاومت را اندازه می گیرد. با پیکربندی 4 سیم، دستگاه یک جریان ثابت (I) را از سیم های بیرونی 1 و 4 عبور می دهد. پل وتستون یک رابطه غیر خطی بین تغییر مقاومت و تغییر ولتاژ خروجی پل ایجاد می کند. این ویژگی مقاومت دمایی غیرخطی RTD را با نیاز به یک معادله اضافی برای تبدیل ولتاژ خروجی پل به امپدانس RTD معادل ترکیب می کند.

افت ولتاژ در سرتاسر لیدهای داخلی 2 و 3 اندازه گیری می شود. بنابراین از V = IR مقاومت عنصر را به تنهایی یاد می گیریم، بدون تاثیر مقاومت سیم سرب. این مزیت نسبت به پیکربندی‌های 3 سیمه را تنها در صورت استفاده از سیم‌های سربی غیرمشابه ارائه می‌کند، و این به ندرت اتفاق می‌افتد. این طرح پل 4 سیمی به طور کامل تمام مقاومت های موجود در سیم های سرب و اتصال دهنده های بین آنها را جبران می کند.

پیکربندی 2 سیم با یک حلقه بسته

پیکربندی دیگری که اکنون نادر است، یک پیکربندی استاندارد 2 سیمه با یک حلقه بسته سیم در کنار آن است (شکل 5). این مانند پیکربندی 3 سیم عمل می کند، اما از یک سیم اضافی برای انجام این کار استفاده می کند. یک جفت سیم جداگانه به عنوان یک حلقه برای جبران مقاومت سرب و تغییرات محیطی در مقاومت سرب ارائه شده است.

حتما بخوانید : کاربرد سنسور های نوری

مزایا و معایب اتصال 2، 3 و 4 سیمه

2 سیم

• با یادآوری مزایای اتصالات دو سیمه، به یاد خواهید داشت که نصب آنها ساده است، هزینه کمتری دارند.
• معمولاً دارای تأییدیه های مناطق خطرناک هستند و نیازی به برق محلی ندارند.
• به دلیل قدرت محدودی که می توانند از حلقه جاری بگیرند، ویژگی های بسیار محدودی دارند.
• دستگاه های سه و چهار سیم دارای مزایا و معایب خاص خود هستند که همیشه باید هنگام تلاش برای تعیین بهترین راه حل برای یک محیط کنترل فرآیند در نظر گرفته شوند.

3 سیم

• دستگاه‌ های سه سیم معمولاً ارزان‌تر از چهار سیم هستند، زیرا در درجه اول از ویژگی ایزوله برخوردار نیستند.
• نصب آنها می‌تواند کمی آسان‌تر باشد زیرا به سیم کمتری نیاز دارند و در مواردی که سیم نیاز به عبور از مجرا دارد، این سیم اغلب می‌تواند در امتداد کانال‌های یکسانی اجرا شود زیرا آنها قبلاً به صورت الکتریکی وصل شده‌اند.
• بسیاری از مزایای مشابه دستگاه های چهار سیم که در بالا ذکر شد در مورد سه سیم نیز صدق می کند.
• برخلاف چهار سیم، دستگاه‌های سه سیمه به دلیل این واقعیت که منبع تغذیه مشترک و سیگنال بازگشتی فرآیند سیم یکسانی دارند، از ایزوله استفاده نمی‌کنند.
• هنگام برخورد با شبکه های سیگنال پیچیده 4-20 میلی آمپر، یک نصاب باید هنگام سیم کشی دستگاه ها بسیار مراقب باشد تا از عبور از مسیرهای جریان جلوگیری کند. پس تعمیر و نگهداری آن ها نیز پیچیده تر باشد.
• هر گونه زمینه، مشترک یا بازگشتی که با حلقه سیگنال فرآیند تلاقی کند، باعث می شود جریان به مدارهای مختلف منتقل شود و سیگنال فرآیند دیگر مقادیر جریان قابل پیش بینی و قابل استفاده را ارائه نمی دهد.
• سه دستگاه سیم را نمی توان با منبع تغذیه جریان متناوب (AC) تغذیه کرد. دستگاه های چهار سیم را می توان از طریق جریان متناوب تغذیه کرد، مانند جریانی که از پریز دیواری در دسترس است، زیرا اتصال تغذیه کننده دستگاه کاملاً از اتصال به سیگنال فرآیند جدا است.
• دستگاه های سه سیم از این جداسازی برخوردار نیستند، بنابراین تمام توان در سیستم باید جریان مستقیم (DC) باشد، درست مانند حلقه سیگنال فرآیند.

مطلب مرتبط : انواع منبع تغذیه صنعتی

4 سیم

• از آنجایی که دستگاه‌های چهار سیم از بیرون تغذیه می‌کنند، می‌توانند ویژگی‌های انرژی بر بسیار بیشتری مانند رله‌های مکانیکی، نمایشگرهای LED روشن، ارتباطات سریال پیشرفته مانند Modbus و خروجی‌های برق را در خود جای دهند.
• درک اتصالات چهار سیم آسانتر است زیرا نیازی به نگرانی در مورد افت ولتاژ در حلقه جریان نیست. یک دستگاه چهار سیمه را می توان با وصل کردن آن به یک پریز دیواری یا نوعی منبع تغذیه DC مانند باتری تغذیه کرد.
• دستگاه های چهار سیم اغلب دارای ایزوله سیگنال عالی هستند. در دستگاهی با عایق برق به سیگنال، سیگنال جریان و منبع تغذیه از سیم‌های کاملاً مجزا استفاده می‌کنند. این می‌تواند هنگام برخورد با شبکه‌های سیگنال پیچیده 4-20 میلی آمپر (شامل متغیرهای فرآیند 4-20 میلی آمپر در چندین حلقه) یا اگر نویز الکترونیکی زیادی از منبع تغذیه وجود دارد، راه‌اندازی و نگهداری را بسیار آسان‌تر کند.
• اتصالات چهار سیمه بر خلاف اتصالات دو سیمه نیاز به منبع تغذیه جداگانه برای دستگاه دارند که بسته به در دسترس بودن برق می تواند مضر باشد.
• عموماً گران‌تر هستند، زیرا به یک مدار منبع تغذیه داخلی نیاز دارند تا توان خارجی دریافتی خود را مدیریت کند و عموماً دارای قطعات گران‌تر هستند.
• مقدار سیم مورد نیاز برای اتصال دستگاه های چهار سیم می تواند برای نصاب ها مشکل ساز شود، به خصوص در مناطق خطرناک که تمام آن سیم باید از طریق مجرای عبور کند. این همچنین می‌تواند تعمیر و نگهداری و عیب‌یابی را در جاده دشوارتر کند و نیاز به ارزیابی و تعمیر تقریباً دو برابر مدار در مقایسه با یک سیستم دو سیمه مشابه دارد.

جهت کسب اطلاعات بیشتر و دریافت مشاوره رایگان با ما در تماس باشید. همچنین میتوانید فرم درخواست مشاوره رایگان را کامل نمایید تا در کمترین زمان ممکن با شما تماس بگیریم.

جمع بندی اتصالات RTD و چند نکته

یک: در هسته این موضوع چند فاکتور اساسی وجود دارد که باید هنگام تصمیم گیری در مورد انتخاب مناسب برای یک محیط کنترل فرآیند در نظر گرفته شوند. به یاد داشته باشید که دستگاه های سه و چهار سیم همیشه به منبع تغذیه ای نیاز دارند که از حلقه سیگنال فرآیند جدا باشد، اگرچه این به طور ذاتی به معنای ایزوله نیست.

دو: دستگاه های دو سیمه توسط خود حلقه جریان تغذیه می شوند و نیازی به منبع تغذیه خارجی ندارند. اگرچه در رابطه با اتصالات سه سیم معایب بسیاری ذکر شد، به یاد داشته باشید که آنها کار می کنند و زمانی که ایزوله منبع تغذیه نگران کننده نیست، گزینه معتبری هستند. آنها اغلب ارزان تر از دستگاه های چهار سیم هستند، که یک مزیت قطعی است. با این حال، نصب کننده باید بفهمد که چه کاری انجام می دهد و مفاهیم عبور از حلقه های فعلی را بداند.

حتما بخوانید:

ترانسمیتر چیست؟ کاربرد آن

برترین برند سنسور RTD-PT100

سه: اتصال دستگاه های چهار سیمه و دو سیمه آسان تر از سه سیم است، اگرچه هر دو به دلایل مختلف. دستگاه های دو سیم آسان تر هستند زیرا اتصالات کمتری وجود دارد، اما باید افت ولتاژ را در نظر گرفت اتصال دستگاه های چهار سیم به دلیل جداسازی داخلی آسان تر است، اما نیازهای برق خارجی باید در نظر گرفته شود. به عنوان یک قاعده کلی در مورد هزینه دستگاه های کنترل فرآیند، دستگاه های دو سیم را کم هزینه ترین، سه سیم در وسط و دستگاه های چهار سیم گران ترین را در نظر بگیرید. با این حال، برخی از دستگاه‌ها و ویژگی‌های دستگاه به دلیل نیاز ذاتی مصرف برق، به‌صورت دو سیمه در دسترس نیستند.