ترانسمیتر دما (نحوه عملکرد، انواع مختلف، مزایا، کاربردها)

یک ترانسمیتر دما، یک تجهیز الکتریکی است که یک سنسور دما – همچون ترموکوپل، RTD یا ترمیستور – را به یک دستگاه اندازه‌گیری یا کنترل، همچون PLC، DCS، PC، کنترلر حلقه، دیتا لاگر، نمایشگر یا رکوردر متصل می‌کند. این اتصال با تقویت و انتقال سیگنال تولید شده توسط سنسور به دستگاه های کنترل کننده انجام می شود.

اندازه‌گیری صنعتی دما

دما یکی از چهار ویژگی اندازه گیری شونده اساسی فرآیند است (سه مورد دیگر فشار، سطح و دبی هستند). اندازه گیری دما در مجموعه ای از کاربردها مورد استفاده قرار می گیرد. عدم دقت در خوانش دما می‌تواند تاثیر به سزایی سود و هزینه‌ها داشته باشد.

به طور مثال، اگر یک کنترلر دمای آب را در یک فرآیند در دمای 100 درجه فارنهایت نگه می‌دارد و اندازه‌گیری دمای بازگردانده شده به کنترلر یک درجه فارنهایت زیر دمای واقعی باشد، کنترلر انرژی منتقل شده به فرآیند را افزایش می‌دهد تا آن را به 100 درجه فارنهایت برساند (با آنکه واقعا نیازی به این کار نیست). این انرژی هدر شده در یک سال چقدر به هزینه‌های شما می‌افزاید؟ البته که این مساله به حجم آب بستگی دارد اما اگر مثلا سالانه بیش از 100 هزار لیتر در سال استفاده می‌کنید، هزینه‌ی آن 80 میلیون یا 100 میلیون تومان در سال خواهد بود. یا حتی بیشتر. هزینه‌ی بی دقتی بسیار کوچک در اندازه‌گیری (مثلا 1 درجه فارنهایت) معمولا نادیده گرفته می‌شود.

به وضوح می‌بینید که مهم است درک مناسبی از اندازه‌گیری دما داشته باشیم. در بخش‌های بعدی این مطلب، اصول سنسور های دما را بررسی می‌کنیم و به این مساله می‌پردازیم که چرا استفاده از ترانسمیتر دما سودمند است.

سنسورهای دما

سنسورهای بسیاری در سال‌های اخیر طراحی شده و توسعه پیدا کرده‌اند. تمام آن‌ها دما را از طریق تغییری در خصیصه‌ای فیزیکی در سنسور نتیجه‌گیری می‌کنند.

یک مثال خوب، دماسنج جیوه‌ای است. حجم جیوه (خصیصه فیزیکی) با تغییرات دما، به شکلی قابل پیش‌بینی تغییر می‌کند. اگر این تغییر قابل پیش‌بینی را بدانید، می‌توانید دماسنجی با مقیاس بصری بسازید که بتوان دما را از آن خواند. اما در یک کاربرد صنعتی، ما به چیزی دقیق‌تر از دماسنج جیوه‌ای نیاز داریم.

سنسورهای رایج‌تر استفاده شده در کاربردهای صنعتی عبارتند از آشکارساز دمای مقاومتی (RTD) و ترموکوپل (TC).

ویدیو توضیحات کامل در مورد ترانسمیتر دما

تفاوت بین RTD و ترموکوپل چیست؟

RTDها (آشکارساز دمای مقاومتی) از یک متریال منفرد ساخته شده‌اند که مقاومت الکتریکی آن با تغییر دما، تغییر می‌کند. با دانستن رابطه بین مقاومت و دما، می‌توانیم دمای اندازه‌گیری شده را بدست بیاوریم.

یک متریال رایج استفاده شده در RTDها پلاتین است اما از دیگر متریال و مواد هم استفاده می‌شود. پلاتین یک مقاومت پایدار دقیق‌ تعریف‌ شده دارد که با هر درجه تغییر دما در گستره‌ی وسیعی از دما همراه است.

مزیت RTDها در ارایه خروجی پایدار و دقیق در بازه‌ی طولانی زمان است.

معایب آن عبارتند از هزینه‌ی اولیه‌ی بالاتر و محدوده‌ی اندازه گیری محدود تر اندازه‌گیری در مقایسه با ترموکوپل‌ها (به نمودار زیر مراجعه کنید).

ترموکوپل‌ها از دو رسانای الکتریکی ناهمسان ساخته شده‌اند که در یک انتها به یکدیگر متصل هستند. تغییرات در دما در نقطه اتصال دو متریال، باعث می‌شود که یک ولتاژ بین آن دو ایجاد شود.

با دانستن ارتباط بین ولتاژ ایجاد شده و دما، می‌توانیم دمای اندازه‌گیری شده را نتیجه‌گیری کنیم. ترموکوپل‌ها از ترکیبی از چند متریال مختلف ساخته می‌شوند. هر ترکیب، بازه‌ی دمایی متفاوتی دارد.

مقایسه ترموکوپل و RTD: ترموکوپل‌ها دوام بیشتری دارند، قیمت کمتری دارند و پاسخ و واکنش‌ها آن‌ها سریع‌تر است و در مقایسه با RTDها، بازه‌ی اندازه‌گیری آن‌ها نیز بزرگ‌تر است اما پایداری آن‌ها کمتر است و با گذر زمان، از دقت و صحت آن‌ها کاسته می‌شود.

بین این دو، ترموکوپل‌ها بیشتر مورد استفاده قرار می‌گیرند.

حالا ترانسمیتر دما چگونه کار می کند؟

یک ترانسمیتر دما، یک تجهیز الکتریکی است که یک سنسور دما – همچون ترموکوپل، RTD یا ترمیستور – را به یک دستگاه اندازه‌گیری یا کنترل، همچون PLC، DCS، PC، کنترلر حلقه، دیتا لاگر، نمایشگر یا رکوردر متصل می‌کند.

عموماً، ترانسمیترهای دما سیگنال ورودی از سنسور را ایزوله، تقویت، نویز گیری، خطی‌سازی و تبدیل کرده و سپس یک سیگنال خروجی استاندارد شده به دستگاه کنترلی می‌فرستند (مخابره یا ترانسمیت می‌کنند).

سیگنال‌های الکتریکی رایج استفاده شده در مراکز و کارخانه‌های تولید در بازه ۴ تا ۲۰ میلی آمپر یا ۰ تا ۱۰ ولت هستند. به طور مثال، ۴ میلی آمپر می‌تواند نماینده‌ی صفر درجه‌ی سلسیوس و ۲۰ میلی آمپر به معنی 100 درجه سلسیوس باشد.

ترانسمیترهای دما به عنوان رابطی بین سیستم کنترلی و سنسور دما عمل می‌کنند، خوانش‌های حرارتی آنالوگ را – با کاهش نویز پس‌زمینه – به سیگنال‌های خروجی دیجیتال عددی تبدیل می‌کنند تا بتوانند نظارت دقیقی برای دما با درجه پایینی از تداخل ارائه کنند.

این سیستم پیچیده به تحلیلگران کمک می‌کنند که شرایط حرارتی یک محفظه‌ی فرآیند یا سیستم دبی را به عنوان مقدار درجات سلسیوس یا فارنهایت به شکل بدون درنگ (real-time) درک کنند.

ترانسمیترهای دما می‌توانند به عنوان دستگاه‌هایی مستقل تولید شوند که به یک یا چند مانیتور دما در یک سیستم کنترل فرآیند متصل می‌شوند یا در هد کانکشن یک قطعه، تعبیه شوند.

حالت دوم، نیازمندی‌های سیم‌کشی و ردپای تجهیز را کاهش می‌دهد، با اتصال مکانیکی بهبودیافته که آسیب‌پذیری کمتری به خوردگی به دلیل گاز، بخار یا دما دارد. البته که کارکردهای یک ترانسمیتر دما معمولاً توسط نیازمندی‌های کاربرد تعیین می‌شود.

هر یک از این سبک‌های قطعات ممکن است برای موجود کردن سیگنال‌ها به عنوان یک خوانش دیجیتال فوری مورد نیاز باشد و برای انتقال داده در ادامه‌ی زنجیره‌ی اندازه‌گیری با هدف پردازش بیشتر مورد استفاده قرار گیرند.

RTDها و ترموکوپل‌ها را می‌توان مستقیماً به دستگاه گیرنده سیم‌کشی کرد.

انواع ترانسمیتر دما

ترانسمیتر دما ریلی (DIN rail mount)

وقتی که فاصله بین سنسور فشار و اتاق کنترل کوتاه باشد، اعوجاج/تداخل سیگنال کم باشد یا دمای محفظه بالا باشد، احتمالا از یک ترانسمیتر دمای مانت ریل DIN یا پنل مانت استفاده می‌کنید.

این ترانسمیترهای دما، بازه ولتاژ ورودی از 8 تا 35 ولت دارند و به دلیل قیمت پایین، استفاده‌ی گسترده‌ای دارند. این نوع از قدیمی‌ترین انواع است اما کابل‌کشی طولانی می‌تواند به کاهش دقت و صحت آن منجر شود.

فیلد مانت (field mount)

این نوع ترانسمیتر دما مستقیما به فرآیند متصل می‌شود، معمولا برای سیگنال قوی‌تر نزدیک‌تر به سنسور نصب می‌شود. در نتیجه این نوع، مخابره‌ی ایمن سیگنال را با سیگنالی تقویت‌شده محقق می‌سازد.

می‌توانید مدلی با دو محفظه (dual chamber) تهیه کنید تا از پوشش در برابر رطوبت و خیسی محافظت شود. پوشش میدانی معمولا آلومینیوم دای‌کست (ریخته‌گری تحت فشار) یا فولاد ضد زنگ است اما اگر نیاز داشته باشید، به راحتی می‌توانید یک نمایشگر نصب کنید.

ترانسمیتر دما هدمونت (head mount)

این ترانسمیترهای فشار مستقیما روی هدهای ترمینال اسمبلی دما نصب می‌شود. پس این نوع حداکثر ایمنی برای سیگنال شما را فراهم می‌آورد. به علاوه، این نوع نیازمند سیم‌کشی کمتر، فضای کمتر و پول کمتری در مقایسه با فیلد مانت است.

از طرفی، لرزش‌های شدیدی می‌توانند باعث شود که نگهداری بیشتر نیاز شود و نوسانات در دمای محیط می‌تواند روی دقت و صحت تاثیرگذار باشد.

چرا باید از ترانسمیتر دما استفاده کنیم؟

هر نوع سنسور در سیم‌کشی مستقیم به دستگاه گیرنده، چالش‌هایی منحصر به فرد دارد. عموما، این روش تاثیری منفی روی دقت و قابلیت اطمینان سیگنال سنسور دارد.

سیم کشی در RTDها

RTDها از سیم‌های افزونه (extension) بهره می‌گیرند. این سیم‌ها به سیگنال RTD ها مقاومت اضافه می‌کنند. از آنجایی که RTDها از مقاومت برای اندازه‌گیری دما بهره می‌گیرند، هر مقاومتی که مرتبط با دما نباشد، وقتی به دستگاه گیرنده برسد، باعث ایجاد خطا می‌شود. مقاومت «اضافه» می‌تواند با استفاده از RTDهای سه-سیمه یا چهار-سیمه جبران شود.

این سیم‌های اضافه برای اندازه‌گیری مقاومت در سیم‌کشی استفاده می‌شوند. دستگاه گیرنده می‌تواند از این اطلاعات استفاده کرده تا مقاومت اضافه را جبران کند. اما شما با 3 یا 4 کابل‌کشی اضافه روبرو خواهید شد. این کابل‌کشی می‌تواند تا دو برابر کابل دو سیمه معمولی، هزینه داشته باشد.

سیم کشی در ترموکوپل

ترموکوپل‌ها نیازمند سیم‌کشی خاصی هستند تا ترموکوپل به دستگاه گیرنده متصل شود. این سیم‌کشی باید از همان متریالی ساخته شده باشد که جنس ترموکوپل است.

اگر سیم‌کشی از متریالی متفاوت استفاده کند، دستگاه گیرنده سیگنالی مخدوش شده (corrupted signal) دریافت می‌کند.

اطمینان حاصل پیدا کردن از اینکه سیم‌کشی ویژه در هنگام نصب در دسترس است و نگهداری مازاد برای تعمیرات در آینده، یک لایه پیچیدگی بیشتر به استفاده از ترموکوپل‌ها اضافه می‌کند. هزینه این سیم‌کشی ویژه نیز باید در نظر گرفته شود (به خصوص اگر طول سیم مورد نیاز زیاد باشد).

ترانسمیترهای دما این مشکلات را حل می‌کنند. این ترانسمیتر می‌تواند نزدیک به سنسور قرار گیرد تا هزینه‌ی سیم‌کشی ویژه‌ی مورد نیاز را بکاهد و در نتیجه خطای احتمالی را نیز کاهش دهد.

ترانسمیتر سیگنال سنسور را به سیگنالی تبدیل می‌کند که بتواند تا مسافتی طولانی‌تر مخابره شود. این سیگنال می‌تواند یک سیگنال ساده‌ی ۴ تا ۲۰ میلی آمپر باشد، یا سیگنال دیجیتال (پروتکل HART، پروتکل BRAIN یا پروتکل فیلدباس) یا سیگنال بی‌سیم (ISA100). ترانسمیتر یک سیگنال دقیق قابل اطمینان را به دستگاه گیرنده مطلوب با استفاده از یک سیم زوج بهم‌تابیده (twisted pair) انتقال می‌کند یا اگر ترانسمیتر بی‌سیم باشد، بدون هیچ سیمی منتقل می‌کند.

رساندن اطلاعات به کنترلر / مانیتور در زمانی مطلوب، دقیق و قابل اطمینان.

یک ترانسمیتر دما از منبع تغذیه DC ریموت (remote)، جریان را متناسب با ورودی سنسورش دریافت می‌کند (می‌کِشد). سیگنال واقعی با تغییر در جریان منبع تغذیه، مخابره می‌شود.

به طور ویژه، یک ترانسمیتر با ورودی ترموکوپل، وقتی که کمترین دمای فرآیند را اندازه‌گیری می‌کند، 4 mA جریان از منبع تغذیه DC می‌کشد. سپس با بالاتر رفتن دما، ترانسمیتر ترموکوپل با همان نسبت، جریان بیشتری می‌کشد تا زمانی که به 20 mA برسد. این سیگنال 20 mA متناسب با بالاترین دمای حس‌شده توسط ترموکوپل است. مدارات شکل‌دهنده‌ی سیگنال داخلی ترانسمیتر (تامین شده با بخشی از جریان 4-20 mA) بازه‌ی دمایی که سیگنال جریان خروجی می‌توان نشان بدهد را تعیین می‌کند.
از نظر فیزیک، تنها دو سیم مسی برای اتصال سیگنال خروجی ترانسمیتر دما در مداری سری با منبع تغذیه ریموت و تجهیز فرآیند مورد نیاز است. این مساله به این دلیل ممکن است که خط سیگنال و منبع تغذیه با هم ترکیب شده‌اند (یک مدار، کارکردی دوگانه دارد).

مزایای ترانسمیترهای دما

ترانسمیترها مزایای بی‌شماری نسبت به روش‌های سنتی اندازه‌گیری دما دارند.
برق AC در موقعیت ریموت (در دسترس) برای استفاده از ترانسمیتر دو سیمه مورد نیاز نیست. از آنجایی که ترانسمیترها با یک سیگنال جریان خروجی 4-20 mA سطح پایین روشن می‌شوند، نیاز نیست در موقعیت ریموت، هیچ برق اضافه‌ای تامین شود. به علاوه، سیگنال معمولا 24 VDC مورد نیاز برای عملیات در کارخانه‌ها استاندارد است و مقادیر بالایی ابزار را پشتیبانی می‌کند.
نویز الکتریکی و افت سیگنال، مشکلاتی نیست که کاربران ترانسمیترهای دو سیمه با آن‌ها روبرو باشند.

سیگنال خروجی جریان ترانسمیتر در برابر نویز الکتریکی محیط، مصونیت بالایی دارد. هر نویزی که در جریان خروجی پدیدار شود، معمولا توسط حذف حالت مشترک (CMR یا common-mode rejection) در دستگاه گیرنده حذف می‌شود. به علاوه، سیگنال خروجی جریان برخلاف اغلب سیگنال‌های ولتاژ، با افزایش مسافت تغییر (افت) نمی‌کند.

با استفاده از ترانسمیترها، هزینه‌های سیم‌کشی به شکل قابل توجهی کاهش پیدا می‌کند.
سیگنال‌های ولتاژ پایین تولید شده توسط ترموکوپل‌ها همیشه برای ارسال در هر مسافت قابل توجهی، نیازمند استفاده از کابل‌های شیلددار هستند. نویز الکتریکی محیطی برخاسته از رله‌های الکتریکی قوس‌دار، موتورها و خطوط برق AC، در صورتی که در کابلی بدون شیلد مخابره شود، می‌تواند سیگنال‌ها را به شدت مخدوش کند. به علاوه، سیم پیج گران‌قیمت و سنگین معمولا در این کاربردها نصب می‌شود و نیازمند کابل‌هایی با طول بالا می‌باشد (چون خطاهای ناشی از افت ولتاژ سیگنال ایجاد شده توسط مقاومت خط را کاهش می‌دهد).

می‌توان از سیم مسی معمول برای اتصال تمام تجهیزات مرتبط در یک سیستم ترانسمیتر دو سیمه استفاده کرد. سیگنال خروجی جریان 4-20 mA نسبتا در برابر نویز الکتریکی مصون است و با مخابره در مسافت‌های طولانی نیز افت نمی‌کند، حتی با استفاده از سیمی با قطر کم. افزودن یک ترانسمیتر دما به یک سیستم، مشکل نیاز به تامین مسافت‌های طولانی از سیم‌های گران‌قیمت و شیلددار کردن مازاد را از بین می‌برد.

مشکلات حلقه زمین 

اگر یک میله زمین‌ در دو نقطه متفاوت به زمین متصل باشند و یک ولت‌متر بین آن دو متصل باشد، تفاوت ولتاژ بین این دو شناسایی می‌شود. این تفاوت پتانسیل عملاً بین هر دو نقطه روی سطح کره زمین وجود دارد. وقتی می‌خواهیم یک فرآیند را در موقعیتی دور از دسترس (ریموت) اندازه‌گیری کنیم، این تفاوت ولتاژ باعث ایجاد جریان خطا در امتداد خط می‌شود، که به آن سیگنال «حلقه زمین» گفته می‌شود. نتیجه‌ی آن، خطایی روی نمایشگر خواهد بود.

برای پرهیز از خطای نوع «حلقه زمین»، ترانسمیتر دمای ایزوله‌کننده (isolating) برای سیستم خود انتخاب کنید. این نوع ترانسمیتر به شکل الکترونیک‌نوری، سیگنال سنسور را از حلقه جریان خروجی ایزوله می‌کند. به این شکل کاربر می‌توان هم سنسور و هم یک سمت از حلقه جریان را زمین کند.

ویژگی‌های ترانسمیتر دما

ترانسمیترها یک خروجی دو سیمه با همان سیم‌کشی استفاده شده برای برق و خروجی ارائه می‌کنند. این مقاومت بار، به شکل سری متصل به یک منبع تغذیه DC است و جریان کشیده‌شده از منبع تغذیه یک سیگنال 4-20 mA یا سیگنال خروجی است که متناسب با سیگنال ورودی است.
مخابره‌ی دو سیمه امکان نصب دور از دسترس ترانسمیتر را، نزدیک به سنسور ارائه می‌کند تا آثار نویز و افت سیگنال (که خروجی‌های سنسورهای سطح پایین در برابر آن‌ها آسیب‌پذیر هستند) را به حداقل برساند.

یک پوشش (محفظه‌ی) فلزی محکم، مناسب نصب در محل است و از دستگاه در برابر شرایط محیطی محافظت می‌کند و اتصالات خروجی و ورودی ترمینال‌ها به آن پیچ می‌شوند. این پوشش می‌تواند مانت سطحی یا مانت ترک رله استاندارد (standard relay track) باشد.
اکثر ترانسمیترهای دما به سیگنال ولتاژ ایجاد شده توسط ترموکوپل یا RTD خطی شده‌اند، البته مدل‌های جدیدتری نیز در بازار موجود است که به دمای واقعی خطی‌سازی شده‌اند.

ترانسمیترهای دما، سیگنال ترموکوپل یا RTD را به یک سیگنال خروجی 4-20 mA تبدیل می‌کنند. برخی مدل‌ها به خروجی RS-232C تبدیل می‌کنند. ترانسمیترهایی در بازار موجود هستند که دارای انتخاب دیپ سوییچ (dip switch) برای چند نوع ترموکوپل در هر مدل هستند، و همینطور انتخاب ترموکوپل و RTD در یک مدل منفرد. ترانسمیترهای RTD یا ترموکوپل در دو مدل ایزوله‌کننده یا غیرایزوله‌کننده موجود هستند و همچنین دارای امکان تنظیم کردن بازه خروجی (با تنظیمات صفر و اسپن) از 80 تا 100 درصد (بسته به مدل) از بازه‌ی سنسور هستند.