در سنسور RTD و مقاومت‌ها می‌توان از 3 ،2 و یا 4 سیم بهره برد. اما تفاوت بین این انواع چیست و این اتصالات چگونه کار می‌کند. در ادامه توضیحاتی مختصر از نحوه عملکرد مقاومت و RTD ارائه و تفاوت اتصالات 3،2 و یا 4 سیم توضیح داده می‌شود.
یک تجهیز اندازه‌گیری RTD یا مقاومت چگونه کار می‌کند؟
یک تجهیز اندازه‌گیری مقاومت مستقیما مقاومت را اندازه‌گیری نمی‌کند. برای این موضوع یک جریان مشخص و دقیق به مقاومت ارسال می‌شود و افت ولتاژ اندازه‌گیری می‌گردد. با اطلاع از میزان جریان و ولتاژ، مقاومت توسط قانون اهم قابل محاسبه است (R=U/I). میزان جریان ارسالی معمولا 1 میلی‌امپر است، اگر مقاومت مورد بررسی 100 اهم باشد، 0.1 ولت افت ولتاژ را شاهد خواهیم بود.
هر چه گستره مقاومت بالاتر باشد، از جریان کمتری استفاده می‌شود. این جریان در سنسور RTD به علت اتلاف توان (مخصوصا در سنسور RTD یی که اتصال گرمایی ضعیفی با اطرافش دارد) باعث خود گرمایی می‌گردد. به همین دلیل از جریان کم در اندازه‌گیری‌ها استفاده می‌شود.
در شکل بالا برای اتصال مقاومت از دو سیم استفاده شده که در حالت ایده‌آل بدون مقاومت متصور می‌شوند. اما در واقعیت تمام سیم‌ها و اتصالات خود داری مقاومت هستند. بنابراین اگر اتصال دو سیم را در واقعیت در نظر بگیریم شکل زیر حاصل می‌شود:
مشکل اصلی در اینجا این است که تجهیز اندازه‌گیری، مقاومتی را محاسبه می‌کند که مجموع مقاومت‌های کل مدار است (Uw+Ur+Uw) اما مطلوب تنها Ur می‌باشد.
پس در اندازه‌گیری خطا وجود خواهد داشت.
با توجه سیم‌ها و اتصالات این خطا ممکن است بسیار زیاد باشد. به طور مثال اگر طول سیم‌ها زیاد و اتصالات ضعیف باشند، خطا می‌تواند تا چند اهم (حتی بی‌نهایت) باشد. اما در مواردی که کیفیت هم رعایت شود باز این خطا موجود خواهد بود.
در صورتی که دقت اهمیت داشته باشد، برای اندازه‌گیری مقاومت هیچ‌گاه از اتصال 2 سیم نباید استفاده کرد
چگونه این خطا را از بین ببریم؟ اتصال 4 سیم، جواب این سوال است…
اندازه‌گیری مقاومت با اتصال 4 سیم
دلیل این اضافه کردن سیم‌ها، انتقال جریان و اندازه‌گیری افت ولتاژ به صورت مجزاست. برای این نوع اتصال، 4 سیم احتیاج است که در شکل زیر شماتیک آن مشخص شده:
تفاوت این روش با اتصال 2 سیم در چیست؟ در حالت ایده‌آل، هیچ! اما در واقعیت یافتن سیم ایده‌آل و بدون مقاومت کمی سخت است! بنابراین در واقعیت، اتصال 4 سیم با وجود مقاومت‌های نامشخص سیم‌ها و اتصالات، تفاوت ایجاد می‌کند. چگونگی این امر در ادامه توضیح داده می‌شود.
در این حالت سیم که جریان را به مقاومت ارسال می‌کنند، مجزا خواهد بود. وجود مقاومت در این سیم‌ها اهمیت نخواهد داشت، چرا که مولد جریان ثابت، جریان مشخصی را به مدار ارسال می‌کند و مقدار آن تغییر نمی‌کند.
همچنین سیم مجزایی برای اندازه‌گیری افت ولتاژ وجود دارد. این سیم مستقیم به یک پایه مقاومتی که قرار است اندازه‌گیری شود وصل می‌گردد. وجود هرگونه مقاومت در این سیم تاثیری در اندازه‌گیری ولتاژ نخواهد داشت. دلیل این اتفاق، بالا بودن امپدانس اندازه‌گیری ولتاژ است که عدم وجود جریان در این سیم باعث عدم تغییر ولتاژ می شود، حتی اگر مقاومتی باشد و تغییر کند.
اتصال 4 سیم، بهترین و دقیق‌ترین روش برای اندازه‌گیری مقاومت یا سنسور RTD است.
اندازه‌گیری مقاومت با اتصال 3 سیم
در واقعیت و مصارف صنعتی به دلیل هزینه بالا، استفاده از اتصال 4 سیم برای اندازه‌گیری مقاومت، چندان مقرون به صرفه نیست. ویرایش دیگری از این مدار، از 3 سیم برای اندازه‌گیری بهره می‌برد.
هرچند اتصال 3 سیم به اندازه 4 سیم دقت ندارد، اما در صورتی که از سه سیم مشابه استفاده شود، دقتی نزدیک به 4 سیم خواهد داشت. بنابراین این نوع اتصال در بسیاری از صنایع به یک استاندارد تبدیل شد.
در اتصال 3 سیم، سیم اندازه‌گیری ولتاژ را حذف کرده و فرض می‌کنیم که تمام سیم‌ها مقاومت یکسان دارند. شماتیک این نوع اتصال در شکل زیر مشخص شده است. سیم اندازه‌گیری ولتاژ به سیم جریان متصل است. نیمه پایین مدار مشابه اتصال 2 سیم و نیمه بالای شبیه اتصال 4 سیم می‌باشد. در قسمت بالایی، تجهیز می‌تواند مقاومت سیم را تعدیل کند اما این امکان در قسمت پایین مدار (مقاومت Rw3) وجود ندارد.
تجهیز اندازه‌گیری مقاومت یک سوییچ داخلی دارد که ابتدا مقاومت مدار بالایی (مجموع Rw1 و Rw2 و سنسور RTD) را اندازه‌گیری کند. سپس نتیجه را بر 2 تقسیم و میانگین مقاومت 2 سیم را محاسبه کند. تجهیز فرض اولیه را بر یکسان بودن مقاومت سیم سوم (Rw3) با میانگین مقاومت دو سیم بالا می‌گذارد. سپس سوییچ به حالت ابتدایی برگشته (مانند تصویر) و امپدانس متصل R را اندازه‌گیری می‌کند.
این نکته حائز اهمیت است که اتصال 3 سیم تنها زمانی دقت بالایی دارد که هر سه سیم، مقاومت یکسانی داشته باشند. در صورت تفاوت مقاومت خطا ایجاد خواهد شد. مطالب بیشتر در مورد سنسور RTD در اینستاگرام ما.
- تلرانس مجاز خارج از نتایج کالیبراسیون به چه معناست؟
- تعدیل اتصال سرد (Cold Junction)
- روش کالیبراسیون برای ارزیابی صحت (Accuracy) دستگاه‌های اندازه‌گیری با استفاده از نظریه عدم قطعیت
منبع:
