سنسورهای دما به زبان ساده

انواع سنسورهای دما از قطعات ترمواستاتیک روشن/خاموش ساده که سیستم گرمایشی آب داغ محلی را کنترل می‌کنند تا انواع نیمه رسانا بسیار حساس که می‌تواند کنترل پروسه پیچیده را کنترل کنند، تغییر می‌کند. نوع بسیار پرکاربرد تمام سنسورها سنسورهایی هستند که دما یا گرما را سنجش می‌کنند.

سنسورهای دما

از کلاس‌های علمی مدرسه خود به یاد داریم که جابه جایی مولکول‌ها و اتم‌ها گرما (انرژی جنبشی) تولید می‌کنند و هر چه جابه جایی بزرگتر، گرمای بیشتری تولید می‌شود. سنسورهای دما مقدار انرژی گرما یا حتی سردی که توسط یک شی یا سیستم تولید می‌شود را اندازه می‌گیرد و به ما اجازه “سنجش” یا تشخیص هر تغییر فیزیکی آن تولید کننده دما هم آنالوگ یا خروجی دیجیتال را می‌دهد.

انواع سنسور دما

انواع مختلفی از سنسورهای دما موجود وجود دارد و همگی دارای ویژگی‌های مختلفی است که بر کاربرد واقعی آنها بستگی دارد. یک سنسور دما شامل دو نوع فیزیکی پایه است:

انواع سنسور دما تماسی – این انواع سنسور دما نیازمند این هستند تا در تماس فیزیکی با شی‌ای که سنجش می‌شوند باشند و از  هدایت برای کنترل تغییرات در دما استفاده می‌کند. آنها می‌توانند برای تشخیص جامدها، مایع‌ها یا گازها در یک محدوده وسیع دما به کار روند.

انواع سنسور دما بدون تماس – این انواع سنسور دما از همرفت و ارتعاش برای کنترل تغییرات در دما استفاده می‌کنند. آنها می‌توانند برای تشخیص مایع‌ها و گازها که انرژی ارتعاشی مانند افزایش گرما و سرما به پایین در جریان‌های همرفتی یا تشخیص انرژی ارتعاشی که از یک شی در حالت ارتعاش مادون قرمز (خورشید) استفاده شوند.

دو نوع پایه سنسور دما بدون تماس و تماسی همچنین می‌تواند به سه گروه سنسور، الکترو-مکانیکی، مقاومتی و الکترونیک تقسیم شود و تمام سه نوع در زیر بحث شده است.

سنسورهای دما – ترموستات

ترموستات یک سنسور دما الکترو-مکانیکی نوع تماسی یا سوئیچ است که به صورت اساسی شامل دو فلز مختلف مانند نیکل، کوپر، تنگستن یا آلومینیوم و غیره است که به یکدیگر برای تشکیل یک نوار دو فلزی خم شده‌اند. نرخ انبساط خطی مختلف دو فلز ناهمگن یک حرکت خم مکانیکی هنگامی که نوار در معرض گرما قرار می‌گیرد، تولید می‌کند.

نوار دو فلزی می‌تواند خودش به عنوان یک سوئیچ الکتریکی یا به عنوان یک مسیر مکانیکی عملیاتی یک سوئیچ مکانیکی در کنترل‌های ترمواستاتیک به کار رود و به صورت گسترده برای کنترل عناصر گرمایشی آب داغ در بویلرها، کوره‌ها، مخزن‌های ذخیره آب داغ همانند در سیستم‌های خنک‌کننده رادیاتور وسایل نقلیه به کار رفته‌اند.

ترموستات دو فلزی

ترموستات شامل دو فلز متفاوت گرمایی هستند که پشت به پشت به یکدیگر چسبیده‌اند. وقتی که سرد است، تماس‌ها بسته می‌شوند و جریان از ترموستات عبور می‌کند. وقتی که داغ می‌شود، یک فلز بیشتر از دیگری منبسط می‌شود و نوار فلزی خم شده به بالا خم می‌شود (یا پایین) و تماس‌ها را باز می‌کند و مانع از شارش جریان می‌شود.

دو نوع اصلی نوارهای فلزی دوتایی بر اساس جابه جایی آنها هنگامی که در معرض تغییرات دما قرار می‌گیرند وجود دارد. انواع “اقدام – فوری” وجود دارد که یک عمل نوع “روشن / خاموش” یا “خاموش /روشن” لحظه‌ای بر تماس‌هاس الکتریکی در یک مجموعه نقطه دما تولید می‌کند و انواع “اقدام – فوری” آرامتر که به صورت تدریجی با تغییر دما موقعیت آنها را تغییر می‌دهد.

ترموستات نوع اقدام – فوری به صورت رایج در خانه‌های ما برای کنترل کردن نقطه تنظیم دمای فر ها، اتوها، غوطه‌وری مخزن‌های آب داغ به کار رفته اند و آنها همچنین می‌توانند در دیوارها برای کنترل سیستم گرمایشی خانگی به کار روند.

انواع خزنده (creeper) عموما شامل یک سیم‌پیچ دو فلزی یا حلزونی هستند که به آرامی با تغییرات دما باز می‌شوند یا پیچ‌هایشان باز می‌شود. عموما، نوع خزنده نوارهای دو فلزی به تغییرات دما نسبت به انواع روشن / خاموش سریع استاندارد حساس‌تر هستند به طوری که با طولانی‌تر شدن و ضخیم‌تر شدن نوار، آنها برای استفاده در سنج‌های دما و شماره‌گیرها و غیره ایده‌آل هستند.

با وجود ارزانی و وسیع بودن محدوده عملیاتی، یک عیب اصلی ترموستات نوع اقدام سریع استاندارد هنگامی که به عنوان یک سنسور دما استفاده می‌شود این است که آنها دارای یک محدوده هیسترزیس بزرگتر از زمانی است که کنتاکت‌های الکتریکی باز می‌شوند تا زمانی که آنها دوباره بسته می‌شوند، هستند. برای مثال، آن ممکن است به 20 درجه سانتی‌گراد تنظیم شود اما ممکن است تا 22 درجه سانتی‌گراد باز نشود یا دوباره تا 18 درجه سانتی‌گراد بسته شود.

بنابراین محدوده نوسان دما ممکن است کاملا بالا باشد. ترموستات‌های دو فلزی موجود اقتصادی برای مصارف خانگی دارای پیچ تنظیم دما است که امکان یک نقطه تنظیم دما مطلوب با ارزش و سطح هیسترزیس برای تنظیم دوباره را می‌دهد.

سنسورهای دما – ترمیستور

ترمیستور نوع دیگر سنسور دما است که نام آن یک ترکیب کلمات مقاومت‌های حساس به دما است. یک ترمیستور یک نوع خاص مقاومت است که مقاومت فیزیکی خود را هنگامی که در معرض تغییرات دما قرار می‌گیرد، تغییر می‌دهد.

ترمیستورها عموما از مواد سرامیکی مانند اکسید نیکل، منگنز یا کبالت پوشیده شده در شیشه که آنها را به راحتی آسیب‌پذیر می‌کند، ساخته شده‌اند. مزیت اصلی آنها بر انواع عمل سریع سرعت آنها در پاسخ به هر تغییری در دما، دقت و تکرار پذیری است.

اکثر انواع ترمیستورها دارای یک ضریب دما منفی مقاومت یا (NTC) است که مقدار مقاومت آنها به پایین با یک افزایش در دما می‌رود و البته مقداری وجود دارد که دارای یک ضریب دما مثبت (PTC) داست که مقدار مقاومت آنها به بالا با یک افزایش در دما می‌رود.

ترمیستورها از یک ماده نیمه رسانای نوع سرامیکی ساخته شده‌اند که از تکنولوژی اکسید فلزی مانند منگنز، کبالت و نیکل و غیره استفاده می‌کنند. ماده نیمه رسانا عموما به دیسک‌های فشاری کوچک یا توپ‌ها که به صورت محکم برای ارائه یک پاسخ نسبتا سریع به هر تغییرات در دما مهر و موم شده‌اند، شکل گرفته‌اند.

ترمیستورها توسط مقدار مقاومتی خود در دمای اتاق (معمولا در 25 درجه سانتی‌گراد)،  ثابت زمانی آنها (زمانی برای رسیدن به تغییر دما) و محدوده توان آنها با توجه به شارش جریان از آنها رنج‌بندی می‌شوند. مانند مقاومت‌ها، ترمیستورها با مقادیر مقاومت در دمای اتاق از 10 ها تا مگا اهم ها به پایین تا تنها یک اهم موجود هستند اما برای اهداف سنجش آن انواع با مقادیری در کیلو اهم عموما به کار می‌روند.

ترمیستورها قطعات مقاومتی غیر فعال هستند به این معنا که ما احتیاج به گذراندن یک جریان از آن برای تولید یک خروجی ولتاژ قابل اندازه‌گیری هستیم. سپس ترمیستورها عموما به صورت سری با یک مقاومت بایاس مناسب برای تشکیل یک شبکه تقسیم‌کننده پتانسیل وصل شده‌اند، و انتخاب مقاومت یک خروجی ولتاژ در بعضی نقاط دما از پیش تعیین شده یا مقدار ارائه می‌دهد،

مثال شماره 1 سنسورهای دما

ترمیستور پیش رو دارای یک مقدار مقاومت 10kΩ در 25⁰C  است و یک مقدار مقاومت 100 اهم در 100 درجه سانتی‌گراد دارد. افت ولتاژ دو سر ترمیستور را محاسبه کنید و از این رو ولتاژ خروجی آن (Vout) برای هر دو دما ها هنگامی که به صورت سری با یک مقاومت 1kΩ در دو سر یک تغذیه توان 12v وصل می‌شوند، محاسبه کنید.

با تغییر مقدار مقاومت ثابت R2 (در مثال ما 1 کیلیو اهم) به یک پتانسیومتر یا از پیش تعیین شده، یک خروجی ولتاژ می‌تواند در یک نقطه تنظیم از پیش تعیین شده برای مثال خروجی 5 ولت در 60 درجه سانتی‌گراد و با تغییر پتانسیومتر یک سطح ولتاژ خروجی خاص می‌تواند در یک محدوده دمای وسیع به دست آید.

اگرچه قابل ذکر است که ترمیستورها قطعات غیر خطی هستند و مقادیر مقاومت استاندارد آنها در دمای اتاق بین ترمیستورهای مختلف متفاوت است که اساسا به دلیل مواد نیمه رسانایی است که آنها از آن ساخته شده‌اند. ترمیستور، دارای یک تغییر نمایی با دما است و در نتیجه دارای یک ثابت دمای بتا (β) است که می‌تواند برای محاسبه مقاومت خود برای هر نقطه دمای داده شده به کار رود.

اگرچه، هنگامی که با یک مقاومت سری مانند حالت شبکه تقسیم‌کننده ولتاژ یا آرایش نوع پل وستون به کار رفت، جریان به دست آمده در پاسخ به یک ولتاژ اعمال شده به شبکه تقسیم‌کننده / پل نسبت به دما خطی است. سپس، ولتاژ خروجی دو سر مقاومت با دما خطی می‌شود.

آشکارسازهای دما مقاومتی (RTD)

نوع دیگر سنسور دما مقاومتی الکتریکی آشکارساز دما مقاومتی یا RTD است. RTD ها سنسورهای دما دقیق ساخته شده از فلزهای بسیار شفاف مانند پلاتنیوم، کوپر یا نیکل هستند که در یک سیم‌پیچ پیچیده شده‌اند و تغییرات مقاومت الکتریکی به عنوان یک تابع دما مشابه با ترمیستور است. همچنین RTD های فیلم نازک موجود هستند. این قطعات دارای یک فیلم نازک پلاتینیوم هستند که به یک بستر سرامیک سفید تجزیه شده است.

آشکارسازهای دما مقاومتی دارای ضرایب دما مثبت (PTC) هستند اما برخلاف ترمیستور خروجی آنها به شدت خطی است و اندازه‌های بسیار دقیق از دما را تولید می‌کند.

اگرچه، آنها دارای حساسیت گرمایی بسیار ضعیفی هستند به طوریکه یک تغییر در دما تنها یک تغییر خروجی بسیار کوچک برای مثال  1Ω/⁰C تولید می‌کند.

انواع بسیار رایج RTD ها از پلاتنیوم ساخته شده‌اند و گرماسنج مقاومت پلاتنیوم یا PRT خوانده می‌شوند با که رایج‌ترین آنها سنسور Pt100 است که دارای یک مقدار مقاومت استاندارد 100 اهم در دمای 0 درجه سانتی‌گراد است. عیب این است که پلاتینیوم گران است و یکی از معایب اصلی این نوع قطعه بهای آن است.

مانند ترمیستور، RTD ها قطعات مقاومتی غیر فعال هستند و با عبور یک جریان ثابت از سنسور دما به دست آوردن یک ولتاژ خروجی که به صورت خطی با دما افزایش می‌یابد، ممکن است. RTD نوعی دارای یک مقاومت پایه نزدیک 100Ω در 0⁰C است، که تا نزدیک 140Ω در 100⁰C با یک محدوده دمای عملیاتی بین -200 تا +600⁰C افزایش می‌یابد.

از آنجا که RTD یک قطعه مقاومتی است، ما نیاز به گذراندن یک جریان از آنها و کنترل ولتاژ حاصل داریم. اگرچه، هر تغییری در مقاومت به دلیل گرمای خود سیم‌های مقاومت با عبور جریان از آن I²R (قانون اهم)، باعث یک خطا در خواندن می‌شود. برای جلوگیری از این، RTD معمولا یه یک شبکه پل وتسون که دارای سیم‌های اتصالی اضافی برای جبران سرب / یا اتصال به یک منبع جریان ثابت است، متصل می‌شود.

سنسورهای دما – ترموکوپل

ترموکوپل تاکنون نوع بسیار پرکاربرد تمام انواع سنسورهای دما است. ترموکوپل به دلیلی سادگی آن و راحتی در استفاده و سرعت در پاسخ به تغییرات در دما بیشتر به دلیل سایز کوچک خود، مشهور هستند. ترموکوپل ها همچنین دارای محدوده دمای وسیع‌تر از تمام سنسورهای دما از زیر -200⁰C تا بیشتر از -2000⁰C هستند.

تروکوپل‌ها سنسورهای دما ترموالکتریکی هستند که شامل دو پیوند فلزی غیر متشابه مانند کوپر و کنستانتات هستند که به یکدیگر جوش یا خرد داده می‌شوند. یک اتصال در یک دمای ثابت که پیوند (سرما) مرجع نامیده می‌شوند، در حالی که دیگری پیوند (داغ) اندازه‌گیری است. هنگامی که دو پیوند در دماهای مختلف هستند، یک ولتاژ در دو سر پیوند که برای اندازه‌گیری سنسور دما به کار می‌رود، گسترده شده است، که در زیر نشان داده شده است.

ساختار ترموکوپل

اصل عملیاتی یک ترموکوپل بسیار ساده و پایه است. وقتی با یکدیگر دوب می‌شوند پیوند دو فلز نامتشابه مانند کوپر و کنسانتانت یک تاثیر “ترمو-الکتریکی” که یک اختلاف پتانسیل ثابت تنها چند میلی‌ولت (mV) بین آنها ارائه می‌دهد، تولید می‌کند. اختلاف ولتاژ بین دو پیوند “اثر Seebeck” نامیده می‌شود زیرا که یک گرادیانت دما در راستای سیم‌های حامل ایجاد شده که یک emf تولید می‌کند. سپس ولتاژ خروجی از یک ترموکوپل یک تابع تغییرات دما است.

اگر هردو پیوندها در دمای یکسان باشند اختلاف پتانسیل دو سر دو پیوند صفر است در بیان دیگر، هیچ ولتاژ خروجی نیست به طوریکه V1=V2 است. اگرچه، هنگامی که پیوندها درون یک مدار متصل می‌شوند و هر دو در دماهای مختلف هستند به طوریکه یک خروجی ولتاژ مربوط به اختلاف دمای بین دو پیوند آشکار خواهد شد و V1-V2 است. این اختلاف در ولتاژ با دما افزایش خواهد یافت تا زمانی که سطح ولتاژ اوج پیوندها به دست آید و این توسط مشخصات دو فلز نامتشابه استفاده شده تعیین شده است.

ترموکوپل‌ها می‌توانند از انواع مختلفی از مواد ایجاد شوند که امکان اندازه‌گیری دماهای شدید بین -200Cتا بیش از +2000⁰C را می‌دهد. با چنن تنوع بزرگی از مواد و محدوده دما استانداردهای تشخیص داده شده داخلی به صورت کامل با کدهای رنگی ترموکوپل برای اجازه دادن به کاربر برای انتخاب سنسور ترموکوپل درست برای یک کاربرد خاص گسترش یافته است. کد رنگی انگلیسی برای ترموکوپل های استاندارد به صورت زیر است.

کدهای رنگی ترموکوپل

سه ماده متداول ترموکوپل که در بالا برای اندازه‌گیری دمای کلی مورد استفاده قرار می‌گیرد عبارتند از: آهن – کنستانتات (نوع J)، مس – کنستانتات (نوع T) و نیکل کروم (نوع K). برای یک تغییر دما 10 درجه سانتی‌گراد اختلاف ولتاژ خروجی از یک ترموکوپل بسیار کوچک تنها چند میلی‌ولت (mV) است و به دلیل این ولتاژ خروجی کوچک شکل‌هایی از تقویت به صورت کلی مورد نیاز است.

تقویت ترموکوپل

نوع تقویت‌کننده، هم گسسته یا در شکل یک تقویت‌کننده عملیاتی نیاز دارد تا به صورت دقیق انتخاب شود، برای اینکه پایداری رانش خوب برای ممانعت از تنظیم مجدد ترموکوپل در بازه‌های مکرر نیاز است. این چوپر و نوع ابزار دقیق تقویت‌کننده را برای اکثر کاربردهای سنجش دما برتر می‌کند.

انواع دیگر سنسور دما که در اینجا به آنها اشاره نشد شامل سنسورهای پیوندی نیمه رسانا، سنسورهای مادون قرمز و ارتعاشات گرمایی و گرماسنج‌های نوع پزشکی، نمایشگرها و جوهرهای تغییر رنگ یا دایس‌ها هستند.

در این آموزش درباره “انواع سنسور دما”، بر مثال‌های گوناگون سنسورها که می‌تواند برای اندازه‌گیری تغییرات در دما به کار روند پرداختیم. در آموزش بعدی بر سنسورهایی که برای اندازه‌گیری کمیت روشنایی به کار می‌روند مانند دیودهای نوری، ترانزیستورهای نوری سلول‌های نوری و مقاومت وابسته بر نور خواهیم پرداخت.