سنسور دما

سنسور دما – متداول ترین نوع استفاده از همه سنسورها انواع حسگرهایی هستند که دما یا گرما را تشخیص می دهند.

این نوع سنسور دما از دستگاه های ترموستاتیک ON / OFF ساده که سیستم گرمایش آب گرم خانگی را کنترل می کنند تا انواع نیمه رسانای بسیار حساس که می توانند کنترل فرآیند پیچیده را کنترل کنند ، متفاوت است.

ما میدانیم که حرکت مولکول‌ها و اتم‌ها گرما‌(انرژی جنبشی) تولید می‌کند و هرچه حرکت بیشتر باشد‌، گرمای بیشتری تولید می‌شود.

سنسورهای دما میزان انرژی گرمایی یا حتی سردی تولید شده توسط یک شی یا سیستم را اندازه گیری می کنند.

این به ما امکان می‌دهد هرگونه تغییر‌فیزیکی در آن دما را حس‌کنیم یا تشخیص‌دهیم که یک خروجی‌آنالوگ یا دیجیتال ایجاد‌می‌کند.

سنسور دما انواع مختلفی دارد و بسته به کاربرد واقعی آنها ویژگی های مختلفی دارند.

یک سنسور دما از دو نوع اساسی فیزیکی تشکیل شده است:

• انواع سنسور دما – این نوع سنسور دما لازم است در تماس فیزیکی با جسم مورد نظر باشند و از هدایت برای نظارت بر تغییرات دما استفاده می کنند.

می توان از آنها برای شناسایی جامدات ، مایعات یا گازها در دامنه وسیعی از دما استفاده کرد.

• انواع سنسور دما بدون تماس – این نوع سنسور دما از همرفت و تابش برای نظارت بر‌تغییرات‌دما استفاده می‌کنند.

می توان از آنها برای تشخیص مایعات و گازهایی که با افزایش گرما و ته نشینی سرما به انتهای آن انرژی تابشی ساطع می کنند یا انرژی تابشی منتقل شده از جسم را به شکل تابش مادون قرمز (خورشید) استفاده کرد.

دو نوع اساسی سنسورهای دمایی تماسی یا حتی غیر تماسی را نیز می‌توان به سه گروه زیر حسگرها تقسیم کرد:

ترموستات

ترموستات یک سنسور دما یا الکترومکانیک از نوع تماس یا سوئیچ است که اساساً از دو فلز مختلف مانند نیکل ، مس ، تنگستن یا آلومینیوم و غیره تشکیل شده است ، که به هم پیوند می خورند و یک نوار دو فلزی تشکیل می دهند.

نرخ انبساط خطی متفاوت دو فلز غیر مشابه هنگام قرار گرفتن در معرض گرما‌، یک حرکت خمشی مکانیکی ایجاد می‌کند.

نوار دو فلزی می‌تواند به‌عنوان یک سوئیچ الکتریکی یا یک روش مکانیکی برای‌عملکرد سوئیچ الکتریکی در کنترل‌های ترموستاتیک استفاده شود.

و به طور گسترده ای برای کنترل عناصر گرمایش آب گرم در دیگهای بخار ، کوره ها ، مخازن ذخیره آب گرم و همچنین در خودرو استفاده می شود سیستم های خنک کننده رادیاتور.

ترموستات دو فلزی

این ترموستات از دو فلز حرارتی متفاوت تشکیل شده است که پشت به هم بهم چسبیده اند.

وقتی هوا سرد است تماس ها بسته می شوند و جریان از طریق ترموستات عبور می کند.

هنگامی که داغ می شود ، یک فلز بیشتر از فلز دیگر منبسط می شود و نوار دو فلزی پیوند خورده به سمت بالا (یا پایین) باز می شود و از تماس جلوگیری می کند تا جریان یابد.

دو نوع اصلی از نوارهای دو فلزی وجود دارد که عمدتا بر روی حرکت آن‌ها در هنگام تغییرات دما هستند.

انواع “اقدام سریع” وجود دارند که یک “کنش” فوری “یا” خاموش “بر روی سطوح تماس الکتریکی در یک نقطه دمای معین و انواع” خزش ” کندتر را تولید می‌کنند که به تدریج موقعیت خود را به عنوان تغییرات دما تغییر می‌دهند.

موارد استفاده از ترموستات نوع snap action

از ترموستاتهای نوع Snap-Action معمولاً در خانه های ما برای کنترل دمای تنظیم شده اجاق ها ، اتوها ، مخازن آب گرم غوطه وری استفاده می شود و همچنین می توان آنها را بر روی دیوارها برای کنترل سیستم گرمایش خانگی یافت.

انواع خزنده معمولاً از یک سیم پیچ یا مارپیچ دو‌فلزی تشکیل‌شده‌است که با تغییر‌دما به‌آرامی باز می‌شود یا پیچ می‌خورد.

به طور‌کلی‌، نوارهای دو فلزی نوع خزنده نسبت به‌نوع استاندارد ON / OFF نسبت به تغییرات دما حساس تر هستند.

زیرا نوار طولانی‌تر و نازکتر است و آنها را برای استفاده در اندازه‌گیری دما و صفحه و غیره ایده‌آل می‌کند.

اگرچه بسیار ارزان است و از طیف وسیعی از عملکرد در دسترس است ، اما یک نقطه ضعف اصلی ترموستات های نوع snap-action استاندارد هنگام استفاده به عنوان سنسور دما ، این است که آنها از باز شدن تماس های الکتریکی تا زمان بسته شدن مجدد آنها ، یک بازه هیسترزیس زیادی دارند.

به‌عنوان‌مثال‌، ممکن‌است روی 20‎درجه‌سانتیگراد تنظیم شود اما ممکن‌است تا 22‌درجه سانتیگراد باز نشود یا تا 18 درجه سانتیگراد دوباره بسته‌شود.

بنابراین دامنه نوسان دما می تواند بسیار زیاد باشد. ترموستات های دو فلزی موجود در بازار برای استفاده در منزل دارای پیچ های تنظیم دما هستند که امکان تنظیم دقیق تر درجه حرارت مورد نظر و سطح پسماند را از قبل تنظیم می کنند.

ترمیستور

Thermistor نوع دیگری از سنسور دما است که نام آن ترکیبی از کلمات THERM- res-ISTOR است.

ترمیستور نوع خاصی از مقاومت است که در صورت تغییر دما مقاومت فیزیکی خود را تغییر می دهد.

ترمیستورها به طور کلی از مواد سرامیکی مانند اکسیدهای نیکل ، منگنز یا کبالت پوشیده شده در شیشه ساخته می شوند که باعث می شود به راحتی آسیب ببینند.

مزیت اصلی آنها نسبت به انواع ضربه محکم سرعت پاسخ آنها به هرگونه تغییر دما ، دقت و تکرارپذیری است.

اکثر انواع ترمیستورها دارای ضریب مقاومت منفی دما (NTC) هستند.

یعنی مقدار مقاومت آنها با افزایش دما پایین می آید و البته برخی از آنها دارای ضریب دمای مثبت (PTC) هستند.

به این دلیل که مقدار مقاومت با افزایش دما بالا می رود.

ترمیستورها از یک ماده نیمه هادی نوع سرامیکی با‌استفاده از فناوری اکسید فلز مانند منگنز‌،‌کبالت و نیکل و غیره ساخته‌می‌شوند.

مواد نیمه هادی به طور کلی به صورت دیسک های کوچک فشرده یا گلوله هایی ساخته می شوند که به صورت منقطع مهر و موم شده اند و نسبتاً سریع به هر تغییر دما پاسخ می دهند.

ترمیستورها با توجه به مقدار مقاومت آنها در دمای اتاق (معمولاً در دمای 25 درجه سانتیگراد) ، ثابت زمان (زمان واکنش به تغییر دما) و درجه قدرت آنها با توجه به جریان عبوری از آنها درجه بندی می شوند.

مانند مقاومت ها‌، ترمیستورها با مقادیر مقاومت در دمای اتاق از 10 MΩ به فقط چند اهم در دسترس هستند.

اما برای اهداف سنجش معمولاً از آن نوع با مقادیر کیلو اهم استفاده می شود.

ترمیستورها دستگاههایی با مقاومت منفعل هستند که بدین‌معنی‌است که برای‌تولید ولتاژ قابل اندازه گیری‌، باید از آن یک‌جریان عبور دهیم.

سپس ترمیستورها به طور سری با یک مقاومت بایاس مناسب برای ایجاد یک شبکه تقسیم کننده پتانسیل به صورت سری متصل می شوند و انتخاب مقاومت یک ولتاژ خروجی را در برخی از نقاط دما یا مقدار از پیش تعیین شده می دهد به عنوان مثال:

مثال شماره 1 سنسور دما

ترمیستور زیر دارای مقدار مقاومت 10KΩ در 25oC و مقدار مقاومت 100Ω در 100oC است.

افت ولتاژ روی ترمیستور و از این رو ولتاژ خروجی آن (Vout) را برای هر دو دما محاسبه کنید وقتی به صورت سری با یک مقاومت 1kΩ از طریق منبع تغذیه 12 ولت متصل شوید.

در  25^oC

در 100^oC

با تغییر مقدار مقاومت ثابت R2 (در مثال ما 1kΩ) به یک پتانسیومتر یا از پیش تعیین شده ، می توان خروجی ولتاژ را در یک نقطه تنظیم دما از پیش تعیین شده به عنوان مثال ، خروجی 5 ولت در 60 درجه سانتیگراد و با تغییر پتانسیومتر یک سطح ولتاژ خروجی خاص را می توان بدست آورد. در محدوده دمایی وسیع تری بدست آید.

لازم به ذکر است که ترمیستور دستگاههایی غیر خطی هستند و مقادیر مقاومت استاندارد آنها در دمای اتاق بین ترمیستورهای مختلف متفاوت است که علت اصلی آن مواد نیمه هادی ای است که از آنها ساخته شده است.

ترمیستور‌، با تغییر‌دما نمایی‌دارد و بنابراین دارای یک ثابت دمای بتا (β) است که می‌تواند برای‌محاسبه‌مقاومت آن برای‌هر نقطه‌دما مشخص‌شود.

با این حال ، هنگامی که با یک مقاومت سری مانند شبکه تقسیم ولتاژ یا ترتیب نوع Wheatstone Bridge استفاده می شود ، جریان به دست آمده در پاسخ به ولتاژ اعمال شده به شبکه تقسیم کننده / پل با دما خطی است.

سپس ، ولتاژ خروجی روی مقاومت با دما خطی می شود.

ردیاب های دمایی مقاومتی (RTD)

نوع دیگر سنسور دمای مقاومت الکتریکی ردیاب مقاومت در برابر مقاومت یا RTD است.

RTD حسگرهای دمایی دقیق ساخته شده از فلزات رسانا با خلوص بالا مانند پلاتین ، مس یا نیکل به یک سیم پیچ است و مقاومت الکتریکی آنها به عنوان تابعی از دما ، شبیه مقاومت ترمیستور تغییر می کند.

RTD های فیلم نازک نیز موجود هستند.

این دستگاه ها دارای یک فیلم نازک از خمیر پلاتین است که بر روی یک لایه سفید سرامیکی رسوب می‌کند.

ردیاب های دمایی مقاومتی دارای ضرایب دمای مثبت (PTC) هستند.

اما برخلاف ترمیستور ، خروجی آنها بسیار خطی است و اندازه گیری های بسیار دقیق دما را تولید می کند.

با این حال ، آنها حساسیت حرارتی بسیار ضعیفی دارند.

این تغییر دما فقط یک تغییر خروجی بسیار کوچک ایجاد می کند ، به عنوان مثال 1Ω / oC.

انواع متداول RTD از پلاتین ساخته می شوند و دماسنج مقاومت پلاتین یا PRT با بیشترین سنسور Pt100 که دارای مقاومت استاندارد 100Ω در 0oC است ، شناخته می شوند.

نکته منفی این است که پلاتین گران است و یکی از معایب اصلی این نوع دستگاه هزینه آن است.

مانند ترمیستور‌،‌RTD نیز دستگاههایی با مقاومت منفعل‌بوده و با عبور جریان ثابت از سنسور دما می‌توان ولتاژ خروجی بدست آورد

که با دما به صورت خطی افزایش یابد.

مقاومت RTD معمولی دارای مقاومت پایه حدود 100Ω در 0 درجه سانتیگراد است و در دامنه درجه حرارت عملیاتی بین -200 تا +600 درجه سانتیگراد به حدود 140Ω افزایش می یابد.

از آنجا که RTD یک دستگاه مقاومتی است‌، باید جریانی از آنها عبور داده و ولتاژ حاصل را کنترل کنیم.

با این وجود‌،‌هرگونه تغییر در مقاومت در‌اثر حرارت‌دادن خود سیم‌های مقاوم در‌برابر‌جریان جاری از‌طریق آن‌،‌I2R‌،‌(قانون اهم)‌باعث ایجاد خطا در‌قرائت‌ها می‌شود.

برای جلوگیری از این امر ، RTD معمولاً به یک شبکه Bridge Wheatstone متصل می شود

که سیم های اتصال اضافی برای جبران سرب و / یا اتصال به یک منبع جریان ثابت دارد.

ترموکوپل

ترموکوپل متداول ترین نوع مورد استفاده در بین انواع سنسورهای دما است.

ترموکوپل ها به‌دلیل سادگی‌، سهولت‌استفاده و سرعت پاسخگویی آنها در برابر تغییر دما‌، عمدتا به دلیل کوچک بودن‌، محبوب هستند.

ترموکوپل ها همچنین وسیع‌ترین دامنه دما را از بین سنسورهای دما از زیر‌-200 درجه سانتیگراد تا بیش از 2000‌درجه سانتیگراد‌دارند.

ترموکوپل ها سنسورهای ترموالکتریک هستند که اساساً از دو اتصال فلزات غیرمشابه مانند مس و کنستانتان تشکیل شده اند که با هم جوش داده می شوند یا ریز می شوند.

یک‌اتصال در دمای ثابت به‌نام محل اتصال مرجع (Cold) نگهداری می‌شود‌، در‌حالی‌که دیگری محل اتصال ‌(Hot) اندازه گیری شده است.

هنگامی که دو اتصال در درجه حرارت های مختلف قرار دارند ، ولتاژی در سرتاسر محل اتصال ایجاد می شود که برای اندازه گیری سنسور دما مانند تصویر زیر استفاده می شود.

ساختار ترموکوپل

اصل کارکرد ترموکوپل بسیار ساده و اساسی است.

هنگامی که محل اتصال دو فلز غیر متفاوتی مانند مس و کنستانتان به هم متصل شود ، یک اثر “حرارتی الکتریکی” ایجاد می کند که اختلاف پتانسیل ثابت فقط چند میلی ولت (میلی ولت) بین آنها را ایجاد می کند.

اختلاف ولتاژ بین دو اتصال “اثر Seebeck” نامیده می شود.

زیرا یک گرادیان دما در‌امتداد سیم‌های‌رسانای تولید یک EMF تولید می‌شود.‌سپس ولتاژ خروجی از یک ترموکوپل تابعی از تغییرات‌دما است.

اگر هر دو اتصال در یک دما باشند اختلاف پتانسیل در بین دو اتصال به عبارت دیگر صفر است‌، ولتاژ خروجی به عنوان V1 = V2 وجود ندارد.

با این حال ، هنگامی که اتصالات در داخل مدار وصل می شوند و هر دو در دمای مختلف هستند ،

خروجی ولتاژ نسبت به اختلاف دما بین دو اتصال V1 – V2 تشخیص داده می شود.

این اختلاف‌ولتاژ با رسیدن‌دما به‌سطح اوج‌ولتاژ اتصالات افزایش‌می‌یابد و این با‌توجه به مشخصات دو فلز غیر مشابه مورد استفاده تعیین‌می‌شود.

ترموکوپل ها را می‌توان از‌انواع مواد‌مختلف تهیه‌کرد که امکان اندازه‌گیری دمای شدید بین‌-200 درجه‌سانتیگراد تا بیش‌از 2000 درجه‌سانتیگراد را فراهم‌می‌کند.

با چنین انتخاب گسترده ای از مواد و دامنه دما ، استانداردهای شناخته شده بین المللی به طور کامل با کدهای رنگی ترموکوپل ایجاد شده است تا به کاربر اجازه دهد سنسور ترموکوپل صحیح را برای یک کاربرد خاص انتخاب کند.

کد رنگ انگلیسی برای ترموکوپل های استاندارد در زیر آورده شده است.

کد رنگ ترموکوپل

سه ماده متداول ترموکوپل که در بالا برای اندازه گیری دما به کار رفته است.

عبارتند از:

آهن کنستانستان (نوع J)

مس-کنستانستان (نوع T)

و نیکل-کروم (نوع K).

ولتاژ خروجی از یک ترموکوپل بسیار کوچک است .

فقط چند میلی‌ولت‌(میلی ولت)‌برای‌تغییر‌10 درجه سانتیگراد در اختلاف دما وجود‌دارد و به‌دلیل این ولتاژ کوچک‌خروجی به‌طور کلی به‌نوعی تقویت نیاز‌است.

تقویت ترموکوپل

نوع آمپلی فایر ، گسسته یا به صورت آمپلی فایر عملیاتی باید با دقت انتخاب شود.

زیرا برای جلوگیری از کالیبراسیون مجدد ترموکوپل در فواصل مکرر ، پایداری رانش خوبی لازم است.

این باعث می شود دستگاه تقاطع و هلی کوپتر برای بیشتر کاربردهای سنجش دما ترجیح داده شود.

سایر سنسورهای دما که در اینجا ذکر نشده است عبارتند از:

سنسورهای اتصال نیمه هادی

سنسورهای تابش مادون قرمز و حرارتی

دماسنج های نوع پزشکی

نشانگرها و جوهرها یا رنگ های تغییر رنگ.

در این مقاله‌آموزشی در‌مورد‌”انواع سنسور دما”‌، چندین‌نمونه از سنسورهایی که می‌توانند برای اندازه‌گیری تغییرات دما استفاده شوند را بررسی کرده‌ایم.

در آموزش بعدی ما به سنسورهایی می پردازیم که برای اندازه گیری مقدار نور استفاده می شوند.

مانند Photodiodes ، Phototransistors ، Photovoltaic Cells و مقاومت وابسته به نور.

برای مشاهده مقاله مربوط به سنسورهای موقعیت اینجا کلیک کنید.