سنسور دما از صفر تا صد

سنسور دما از صفر تا صد
مقالات صنعتی

این نوع حسگرهای دما دارای انواعی هستند از جمله ابزارهای ترموستاتیک ساده روشن/خاموش هستند که سیستم آب گرم کن خانگی را کنترل می کند و انواع نیمه رسانای بسیار حساس که می توانند فرایند پیچیده تاسیسات کوره را کنترل کنند.از علوم مدرسه به خاطر داریم که جنبش مولکول ها و اتم ها باعث تولید گرما (انرژی جنبشی) می شود و هر چه جنبش بیشتر باشد، گرمای بیشتری هم تولید می شود. حسگرهای دما میزان انرژی گرمایی یا حتی سرمایی را اندازه گیری می کنند که از طریق یک جسم یا سیستم تولید می شود و به ما امکان می دهد هرگونه تغییر فیزیکی در آن دما را حس یا شناسایی کنیم و خروجی آنالوگ یا دیجیتالی ارائه کنیم.انواع مختلفی زیادی از حسگرهای دمای موجود است و همگی بسته به کاربرد حقیقی خود دارای ویژگی های متفاوتی هستند. یک حسگر دما شامل دو نوع فیزیکی مبنا است:انواع حسگر دمای تماسی – این نوع حسگرهای دما باید در تماس با شیء مورد سنجش باشند و از رسانش برای بررسی تغییرات در دما استفاده می کنند. از آن ها می توان برای شناسایی جامدات، مایعات و گازها در طیف گسترده ای از دماها استفاده کرد.انواع حسگرهای دمای بدون تماس – این نوع حسگرهای دما از همرفت و تابش برای بررسی تغییرات دما استفاده می کنند. از آن ها می توان برای شناسایی مایعات و گازهایی استفاده کرد که با افزایش حرارت، انرژی تابشی ساطع می کنند یا سرما در قسمت پایین جریان های همرفتی قرار می گیرد یا این که انرژی تابشی را شناسایی می کنند که به صورت تابش فروسروخ (خورشید) از جسمی به جسم دیگر منتقل می شود.دو نوع مبنای حسگرهای تماسی و بدون تماس را می توان به شکلی دیگر به سه زیرمجموعه تقسیم کرد که عبارتند از الکترومکانیکی، مقاومتی و الکترونیکی و هر سه در ادامه مورد بحث قرار گرفته اند.ترموستاتترموستات یک حسگر دمای الکترومکانیکی یا سوئیچی است که اساسا متشکل از دو فلز متفاوت مثل نیکل، مس، تنگستن یا آلومینیوم است که به یکدیگر متصل شده اند تا یک باریکه دوفلزی را به وجود آورند. تفاوت در میزان انبساط خطی باعث می شود دو فلز نامتشابه در برابر گرما خمیدگی مکانیکی را به وجود آورند.باریکه دوفلزی را می توان به عنوان یک سوئیچ الکتریکی یا به عنوان روشی مکانیکی برای کار با سوئیچ الکتریکی در کنترل ها ترموستاتی مورد استفاده قرار داد. همین طور آن ها به صورت گسترده برای کنترل المنت های حرارت دهنده آب در دیگ های بخار، کوره ها، مخازن آب گرم و همین طور در سیستم رادیاتور وسایط نقلیه مورد استفاده قرار می گیرند.ترموستات های دوفلزی یا بی متالاین ترموستات متشکل از دو فلز متفاوت به لحاظ گرمایشی است که پشت به پشت به یکدیگر چسبیده اند. وقتی سرد باشد، تماس از بین می رود و جریان از ترموستات عبور می کند ولی وقتی که گرم شود یکی از فلزها بیش از دیگری انبساط می یابد و باریکه دوفلزی خم می شود و محل تماس را باز می کند و مانع از جریان می شود. این ترموستات متشکل از دو فلز متفاوت به لحاظ گرمایشی است که پشت به پشت به یکدیگر چسبیده اند. وقتی سرد باشد، تماس از بین می رود و جریان از ترموستات عبور می کند ولی وقتی که گرم شود یکی از فلزها بیش از دیگری انبساط می یابد و باریکه دوفلزی خم می شود و محل تماس را باز می کند و مانع از جریان می شود.دو نوع اصلی از باریکه های دوفلزی وجود دارد که عمدتا مبتنی بر حرکت در زمان قرار گرفتن در معرض تغییرات دما هستند. نوع «اقدام آنی» وجود دارد که به صورت آنی اقدام به «روشن/خاموش» یا «خاموش/روشن» کردن در تماس های الکتریکی در یک نقطه دمایی خاص می کند و همین طور نوع کندتر «اقدام خزشی» که به تدریج موقعیت خود را با تغییر دما تغییر می دهد. ترموستات های نوع اقدام آنی به شکل رایج در خانه ها برای کنترل دمای اجاق ها، اتوها و تانک های آب داغ غوطه ور استفاده می شوند و همین طور روی دیوارها نیز برای کنترل سیستم حرارت داخلی یافت می شوند.انواع «اقدام خزشی» عموما شامل یک کوئل دوفلزی یا مارپیچی هستند که با تغییر دما به آهستگی باز می شود یا پیچیده می شوند. عموما باریکه های دوفلزی انواع خزشی حساسیت بیشتری به تغییر دما نسبت به انواع روشن/خاموش استاندارد آن دارند زیرا باریکه بلندتر و نازک تر است و آن را مطلوب استفاده در سنجشگرهای دما می سازد.با این که ترموستات های اقدام آنی بسیار ارزان بوده و در طیفی از کاربردهای مختلف موجود هستند، یک عیب عمده آن ها در زمان استفاده به عنوان حسگر دما آن است که دارای طیف پسماند زیادی از زمان تماس الکتریکی تا زمان بسته شدن دوباره آن هستند. برای مثال، ممکن است روی 20 درجه تنظیم شده باشد اما تا رسیدن به 22 درجه باز نشود یا بعدا تا رسیدن به دمای 18 درجه دوباره بسته نشود.بنابراین، طیف بازه دمایی بسیار بالا است. ترموستات های موجود به لحاظ تجاری برای استفاده خانگی دارای پیچ های تنظیم دمایی هستند که امکان تنظیم دقیق تر دما و پیش تنظیم سطح پسماند را می دهد.ترمیستورترمیستور نوع دیگری از حسگر دما است که نام آن ترکیبی از واژه های گرما و مقاومت است. ترمیستور نوع خاصی از مقاومت است که مقاومت فیزیکی خود را در زمان قرار گرفتن در معرض تغییرات دمایی تغییر می دهد.ترمیستورها عموما از فلزات سرامیکی مثل اکسیدهای نیکل، منگنز یا کوبالت با لایه ای از شیشه ساخته شده اند که باعث می شود به آسانی آسیب ببینند. مزیت اصلی آن ها نسبت به انواع اقدام آنی، سرعت واکنش آن ها به هرگونه تغییر دما، دقت و قابلیت تکرار است.بیشتر انواع ترمیستورها دارای یک ضریب دمای منفی مقاومت یا (NTC) هستند، یعنی مقدار مقاومت آن ها با افزایش دما کم می شود و البته برخی از آن ها دارای ضریب دمای مثبت (PTC) هستند، یعنی مقاومت آن ها با افزایش دما بیشتر می شود. ترمیستورها از ماده نیمه رسانای سرامیکی با استفاده از تکنولوژی اکسید فلز مثل منگنز، کوبالت، نیکل و مانند آن ساخته می شوند. ماده نیمه رسانا عموما به شکل دیسک های فشرده یا توپ هایی در می آید که مهر و موم غیرقابل نفوذ می شوند تا واکنش نسبتا سریعی به هرگونه تغییر در دما داده شود.ترمیستورها به واسطه مقدار مقاومت خود در دمای اتاق (ممولا در دمای 25 درجه)، ثابت زمانی آن ها (زمان واکنش به تغییر دما) و رتبه بندی نیروی آن ها در خصوص جریان وارد شده به آن ها رتبه بندی می شوند. همانند مقاومت ها، ترمیستورها با مقادیر مقاومت در دمای اتاق از 10 مگا اهم تا چند اهم موجود هستند اما برای اهداف حسگری معمولا انواع چند کیلواهمی استفاده می شوند.ترمیستورها ابزارها مقاومت انفعالی هستند که بدین معنا است که باید جریانی از آن عبور دهیم تا خروجی ولتاژ قابل اندازه گیری به وجود آید. ترمیستورها عموما به صورت سری با مقاومت جانبدار مناسب به هم متصل می شوند تا خروجی ولتاژی با مقدار یا نقطه دمایی از پیش تعیین شده به دست آید.مثال حسگرهای دمای شماره 1ترمیستور زیر دارای مقدار مقاومت 10 کیلواهم در دمای 25 درجه و مقدار مقاومت 100اهم در دمای 100 درجه است. کاهش ولتاژ ترمیستور و ولتاژ خروجی آن را برای هردو دما زمانی که به صورت سری به یک مقاومت 1کیلواهمی با تامین نیروی 12 ولتی وصل باشد محاسبه کنید. با تغییر مقدار مقاومت ثابت R2 (در مثال ما 1کیلواهم) به یک پتانسیومتر یا پیش تنظیم، ولتاژ خروجی را می توان در نقطه دمای از پیش تعیین شده برای مثال، 5ولت در دمای 60 درجه به دست آورد و با تغییر پتانسیومتر، سطح ولتاژ خروجی خاصی در طیف دمایی گسترده تری به دست می آید.ولی باید توجه داشت که ترمیستورها ابزارهای غیرخطی هستند و مقدار مقاومت استاندارد آن ها در دمای اتاق در خصوص ترمیستورهای مختلف، تفاوت دارد که عمدتا به خاطر مواد نیمه رسانایی است که از آن ساخته می شوند. ترمیستور دارای تغییری نمایی در خصوص دما است و بنابراین دارا ثابت دمای بتا است که می توان آن را برای محاسبه مقاومت آن در خصوص هر نقطه دمایی خاصی استفاده کرد.ولی وقتی با مقاومت سری استفاده می شود، مثلا در شبکه تقسیم کننده ولتاژ یا چیدمان نوع «پل ویت استون»، جریان به  دست آمده در واکنش به ولتاژ اعمال شده روی شبکه تقسیم کننده/پل نسبت به  دما خطی است. بنابراین، ولتاژی خروجی در مقاومت در رابطه با دما خطی می شود.ردیاب های دمای مقاومتی (RTD)نوع  دیگری از حسگر دمای مقاومت، ردیاب دمای مقاومت یا سنسور دمای RTD است. RTDها حسگرهای دقیق دما هستند که از مواد رسانا با خلوص بالا مثل پلاتینیوم، مس، یا نیکل ساخته می شوند که در یک کوئل پیچیده شده اند و مقاومت الکتریکی آن ها به صورت تابعی از دما تغییر می کند، یعنی مشابه ترمیستور. همین طور RTDهای لایه نازک هم موجود هستند. این ابزارها دارای لایه نازکی از خمیر پلاتینیوم هستند که روی یک بستر سرامیکی سفید قرار داده می شود.ردیاب های دمای مقاومتی دارای ضرائب دمای مثبت (PTC) هستند اما برخلاف ترمیستور، خروجی آن ها به شدت خطی بوده و سنجش دمای بسیار دقیقی را ممکن می کنند. ولی حساسیت گرمایی آن ها بسیار ضعیف است، یعنی تغییر دما، تغیر خروجی بسیار کوچکی ایجاد می کند، برای مثال 1Ω/oC.انواع رایج تر RTDها از پلاتینیوم ساخته می شوند و ترمومتر مقاومت پلاتینیوم یا PRT نام دارند و نوعی از آن ها که بیش از همه موجود است، حسگر Pt100 می باشدکه دارای مقدار مقاومت استاندارد 100 اهمی در صفر درجه سانتی گراد است. مشکل این حسگر آن است که پلاتینیوم گران است و یکی از معایب اصلی این نوع ابزار، هزینه آن است.همانند ترمیستور، RTDها ابزارهای مقاومت انفعالی هستند و با عبور یک جریان ثابت از حسگر دمایی، این امکان وجود دارد که ولتاژ خروجی با افزایش خطی نسبت به دما به وجود آید. یک RTD معمول دارای مقاومت مبنای 100اهم در دمای صفر درجه است و در دمای 10 درجه به 140اهم می رسد و طیف دمای عملکردی آن بین -200 تا +600°C است.از آن جا که RTD یک ابزار مقاومتی است، باید جریانی از آن عبور دهیم تا ولتاژ به دست آمده را بررسی کنیم. ولی هرگونه تغییری در مقاومت به خاطر خودحرارتی عبور جریان از  سیم های مقاوم، I2R، (قانون اهم) باعث خطا در خوانش می شود. برای جلوگیری از این امر، RTD معمولا به یک شبکه پل ویت استون متصل می شود که دارای سیم  اتصال بیشتر برای جبران و/یا اتصال به یک منبع جریان ثابت است.ترموکوپلترموکوپل تاکنون پراستفاده ترین نوع همه حسگرهای دمایی بوده است. ترموکوپل ها به خاطر سادگی خود، سهولت استفاده و سرعت واکنش به تغییرات دما عمدتا به خاطر اندازه کوچک خود محبوب هستند. ترموکوپل ها همچنین دارای گسترده ترین طیف دمایی در همه حسگرها از -200°C تا بیش از 2000°C هستند.ترموکوپل ها حسگرهای ترموالکتریکی هستند که اساسا از دو اتصال فلزات نامتشابه مثل مس و کنستانتن تشکیل شده اند که به هم جوش خورده اند. یک اتصال در دمای ثابت نگه داشته می شود که با عنوان اتصال سرد مورد اشاره قرار می گیرد در حالی که اتصال دیگر (اتصال گرم) برای سنجش مورد استفاده قرار می گیرد. وقتی دو اتصال در دماهای مختلف باشند، ولتاژ در اتصالی به وجود می آید که برای سنجش دما به صورت زیر مورد استفاده قرار می گیرد.ساخت ترموکوپلاصل عملکردی یک ترموکوپل بسیار ساده و اساسی است. وقتی دو فلز به هم متصل می شوند، اتصال دو فلز نامتشابه مثل مس و کونستانتن باعث تولید اثر «ترموالکتریکی» می شود که یک اختلاف پتانسیل ثابت چند میلی ولتی بین آن ها به وجود می آورد. اختلاف ولتاژ بین دو اتصال «اثر سیبک» نام دارد که به وسطه شیب دمایی در سیم های هادی به وجود می آید و emf شکل می دهد. ولتاژی خروجی یک ترموکوپل تابعی از تغییرات دما است.در صورتی که هردو اتصال در دمای یکسانی باشند، اختلاف پتانسیل بین دو اتصال صفر خواهد بود و به عبارت دیگر ولتاژ خروجی وجود نخواهد داشت، V1=V2. ولی وقتی اتصال ها در یک مدار متصل می شوند و هردو در دماهای متفاوتی قرار داشته باشند، یک ولتاژ خروجی نسبت به تفاوت در دمای بین دو اتصال به وجود می آید، V1-V2. این اختلاف در ولتاژ با افزایش دما بیشتر می شود تا این که اتصال ها به اوج ولتاژ برسند و این مورد به واسطه ویژگی های دو فلز نامتشابه مورد استفاده مشخص می شود.ترموکوپل ها از انواعی از مواد قابل ساخت هستند که امکان سنجش دماهای شدید بین -200°C تا +2000°C را به وجود می آورند. با این گونه امکان انتخاب گسترده در میان مواد و طیف دمایی، استانداردهای مشخص بین المللی به همراه کدرنگ ها برای ترموکوپل ها به وجود آمده است تا به کاربر امکان داده شود حسگر ترموکوپل مناسب را برای کاربرد خاص مد نظر خود انتخاب کند. کدرنگ بریتانیایی برای ترموکوپل های استاندارد، به صورت زیر است. کد رنگ های ترموکوپل سه ماده ترموکوپلی که بیش از همه در بالا برای سنجش عمومی دما مورد استفاده قرار گرفته آهن-کونستانتن (نوع J)، مس-کونستانتن (نوع T) و نیکل-کرومیوم (نوع K) است. ولتاژ خروجی یک ترموکوپول بسیار کوچک است، تنها چند میلی ولت برای یک تغییر 10درجه ای به وجود می آید و به خاطر این کوچک بودن ولتاژ خروجی، عموما نوع تقویت نیاز خواهد بود.تقویت ترموکوپلنوع تقویت کننده، یعنی شکل مجزا یا شکل تقویت کننده عملکردی باید به دقت انتخاب شود زیرا ثبات دریفت مناسب برای جلوگیری از تنظیم مجدد ترموکوپل در فواصل پیاپی لازم است. این مسئله باعث می شود نوع چاپر و ابزاری تقویت کننده برای بیشتر کاربردهای حسگری دما مورد ترجیح باشد.سایر انواع حسگر دما که در این جا ذکر نشده اند شامل مواردی هستند از جمله حسگرهای اتصال نیمه رسانا، حسگرهای تابش گرمایی و فروسرخ، ترمومترهای نوع طبی، شاخص ها و رنگ ها و جوهرهای تغییردهنده رنگ.در این مطلب آموزشی در خصوص «انواع حسگرهای دما»، به چند مثال از حسگرها نگاه کردیم که می توان از آن ها برای سنجش تغییرات دما استفاده کرد. در مطلب بعدی نگاهی خواهیم داشت به حسگرهایی که برای سنجش کمیت نور مورد استفاده قرار می گیرند، مثل فتودیودها، فتوترانزیستورها، سلول های فتوولتائیک و مقاومت وابسته به نور.منبعTemperature Sensors

اگر در این زمینه فعالیت میکنید می توانید آگهی خودتان را در سایت نیازآتی قرار دهید. برای درج آگهی در نیازآتی اینجا کلیک کنید