سنسورهای دما

پر کاربردترین انواع سنسورها، سنسور دما می‌باشد

سنسورهای دما از انواع خیلی ساده مانند المان‌های ترمواستاتیک که فرمان روشن و خاموش شدن را به سیستم‌های گرمایش خانگی می‌فرستند؛ شروع می‌شوند تا انواع نیمه‌رسانای فوق‌العاده حساس که می‌توانند فرایندهای خیلی پیچیده را کنترل کنند.

از فیزیک دبیرستان به یاد داریم که حرکت مولکول‌ها و اتم‌ها گرما تولید می‌کند و هر چقدر مسافت طی شده طولانی‌تر باشد، گرمای بیشتری تولید می‌شود. سنسورهای دما میزان انرژی گرمایشی یا حتی میزان سرمایی که توسط یک سیستم یا یک شی به وجود آمده را تشخیص می‌دهند و ما می‌توانیم اطلاعات دریافتی از سنسورها را به صورت سیگنال های آنالوگ یا دیجیتال دربیاوریم .

انواع گوناگونی از سنسورهای دما در دسترس می‌باشند که مشخصات گوناگونی دارند اما به طور کلی سنسورهای دما از نظر فیزیکی به ۲ گروه تقسیم می‌شوند:

(۱) سنسورهای دمای تماسی :

این نوع از سنسورهای دما باید با حسمی که قرار است دمای آن اندازه‌گیری شود تماس فیزیکی برقرار کنند و از طریق هدایت گرمایی تغییرات در دما را ثبت می‌کنند از این نوع سنسور می‌توان برای انواع مواد ( جامد ، مایع و گاز ) استفاده نمود .

(۲)سنسورهای دمای غیر تماسی :

این نوع از سنسورهای دما از روش‌های همرفت و تابش برای پایش دما استفاده می‌کنند. مایعات و گازها انرژی گرمایی تابشی از خود ساطع می‌کنند و قسمت‌های گرمتر که تراکم کمتری دارند در سطوح بالاتری قرار می‌گیرند و قسمت‌های سرد گاز یا مایع ته‌نشین می‌شوند که به نوبه‌ی خود جریان همرفت را به وجود می آورند .گرمای تابشی نیز به صورت پرتو‌های فروسرخ است که می‌تواند توسط برخی سنسورها احساس و اندازه‌گیری شود .

این دو دسته‌ی اصلی می‌توانند به ۳ دسته ی دیگر ( سنسورهای الکترومکانیکی ، مقاومتی و الکترونیکی) تقسیم‌بندی شوند که این دسته ها در زیر با جزئیات شرح داده شده است.

ترموستات

ترموستات از دسته سنسورهای دمای تماسی الکترومکانیکی می‌باشد. به طور کلی این نوع سنسور از دو فلز تشکیل شده که از دو جنس متفاوت ساخته شده‌اند و از قسمتی به یکدیگر متصل هستند از آنجا که نرخ انبساط هر فلز با فلزات دیگر متفاوت است، فلزی که در معرض گرما بیشتر انبساط پیدا می‌کند خم می‌شود که می‌تواند به عنوان یک سوییچ عمل کند و می‌توان از آن برای کنترل میزان حرارت المنت‌های بویلرها و کوره‌ها استفاده کرد.

۱. ترموستاتی که از دو فلز تشکیل شده است

ترموستات از دو فلز متفاوت تشکیل شده که به یکدیگر متصل هستند هنگامی که این فلزها سرد هستند به طور کامل با یکدیگر در تماس هستند و جریان از ترموستات عبور می‌کند اما اگر ترموستات در معرض حرارت قرار بگیرد یکی از فلزها بیشتر از دیگری منبسط می‌شود و با خم شدن سطح تماسش با فلز دیگر را از دست می‌دهد و متعاقباً عبور جریان متوقف می‌شود .

خود ترموستات ها به دو دسته تقسیم می‌شوند :

دسته اول هنگام رسیدن به دمایی خاص بلافاصله خاموش یا روشن می‌شوند و دسته‌ی دوم به تدریج ارتباط بین کانتکت‌های روی دو فلز را قطع می‌کنند که باعث می‌شوند جریان به تدریج افت کند .

ترموستات هایی که به سرعت قطع یا وصل می‌شوند معمولاً در فرها و تانک‌های آب گرم غول پیکر مورد استفاده قرار می‌گیرند. البته در موارد نادری در دیوارهای ساختمان‌ها نیز کار گذاشته می‌شوند و بخشی از سیستم گرمایشی خانگی به حساب می‌آیند .

اکثر ترموستات‌های تدریجی معمولاً مجهز به یک سیم‌پیچ هستند که به تدریج و با افزایش دما صاف می‌شود. به طور کلی ، ترموستات های تدریجی نسبت به تغییرات دمایی حساس‌تر هستند چرا که فلز آن‌ها درازتر و نازک تر است و آن‌ها را برای استفاده در دماسنج‌ها ایده‌آل می‌کند .

با وجود ارزان و متنوع بودن، ترموستات هایی که سریع قطع و وصل می‌شوند دارای یک نقطه ضعف بزرگ هستند؛ در‌واقع، این نوع ترموستات ها بازه ی هیسترزیس بزرگی دارند به عنوان مثال ، ممکن است خاموش و روشن شدن ترموستات را برای ۲۰ درجه‌ی سانتی گراد تنظیم کرده باشید اما فلزها تا دمای ۲۲ درجه از یکیدگیر فاصله نگیرند و در دمای ۱۸ درجه دوباره به یکدیگر متصل شوند .

بنابراین دقت این ترموستات‌ها پایین است .

ترمیستور

ترمیستور یکی دیگر از انواع سنسورهای حرارتی می‌باشد. ترمیستور ترکیب دو لغت (THERM_ally) به معنای حرارتی و (res_ISTOR) مقاومت است. در‌واقع یک ترمیستور، نوع خاصی از یک مقاومت است که مقاومت فیزیکی‌اش با تغییر دما؛ تغییر می‌کند .

۳. ترمیستور

ترمیستورها غالباً از مواد سرامیکی مانند اکسید نیکل ، منگنز یا کبالت که یک لایه شیشه روی آن کشیده شده تشکیل شده‌اند و به همین دلیل خیلی شکننده و آسیب‌پذیر هستند . بزرگترین مزیت این نوع سنسورها سرعت پاسخ دهی و دقتشان می‌باشد .

اکثر ترمیستورها دارای پارامتری به نام ضریب مقاومت منفی ( Negative Temperature Coefficient Of Resistance ) یا (NTC) هستند. در‌واقع میزان مقاومت با افزایش دما کاهش پیدا می‌کند البته ترمیستورهایی نیز وجود دارند که مقاومت شان با افزایش دما افزایش پیدا می‌کند و ضریب مقاومت مثبت یا (Positive Temperature Coefficient Of Resistance) یا (PTC) دارند .

ترمیستورها از یک ماده‌ی نیمه رسانای سرامیکی ساخته شده‌اند. ماده‌ی نیمه رسانا غالباً به صورت یک دیسک کوچک یا گوی درمی‌آید که در یک محفظه شیشه‌ای قرار می‌گیرد و می‌تواند به کوچک‌ترین تغییرات دمایی پاسخی سریع بدهد.

ترمیستورها بر اساس مقدار مقاومتی شان در دمای اتاق، ثابت زمانی ( زمانی که طول می‌کشد تا به تغییرات دما پاسخ بدهند ) و توان شان ( که ماکزیمم جریان عبوری را مشخص می‌کند ) طبقه بندی می‌شوند. همانند مقاومت‌ها ، ترمیستورها نیز مقدار مقاومتی دارند ترمیستورهایی با مقاومت چند کیلواهم در دمای اتاق پرکابردترین نوع ترمیستور هستند.

ترمیستورها از دسته المان‌های مقاومتی پسیو هستند؛ به این معنا که برای گرفتن ولتاژ خروجی باید از آن‌ها جریان عبور کند. ترمیستورها به طور کلی به صورت سری به یکدیگر اتصال می یابند و مقاومت بایاس یک شبکه‌ی جداکننده ولتاژ را در مدار ترمیستور به وجود می آورد. انتخاب نوع مقاومت در مدار جداکننده ولتاژ‌، ولتاژ خروجی مدار را به ازای یک دمای خاص تعیین می‌کند به عنوان مثال :

سنسورهای دمای- مثال یک

ترمیستوری که در زیر نشان داده شده در دمای ۲۵ درجه درای مقاومت ۱۰KΩ می‌باشد و در دمای ۱۰۰ درجه مقاومت آن به ۱۰۰Ω می‌رسد میزان افت ولتاژ روی دو سر ترمیستور و لوتاژ خروجی را برای هر دو دما در حالتی که به صورت سری به یک مقاومت ۱KΩ متصل شده‌اند و جریان شان از یک منبع تغذیه ۱۲V تأمین می‌شود را محاسبه کنید .

با تغییر مقدار مقاومت RL و جای گذاری یک پتانسیومتر در مدار ولتاژ خروجی می‌تواند به ازای یک دمای مشخص تغییر کند.

در هر صورت ذکر این نکته خالی از لطف نیست که ترمیستور از دسته المان های غیرخطی است و مقدار مقاومت استاندارد در دمای اتاق به ازای المان های مختلف تغییر می‌کند که این مسأله ناشی از متفاوت بودن نیمه رسانایی است که در ساخت آن‌ها به کار رفته مقاومت ترمیسوتر با تغییرات دما به طور لگاریتمی تغییر پیدا می‌کند و یک ثابت دمایی بتا (β) برای آن تعریف می‌شود که می‌توان از آن برای محاسبه ی مقاومت در هر دمایی استفاده نمود .

به هر حال هنگامی که ترمیستور به صورت سری با مقاومت در مدار قرار می‌گیرد جریانی که در پاسخ به ولتاژی که به شبکه ی جداکننده اعمال می‌شود ، شکل می‌گیرد نسبت به دما خطی به طور خطی تغییر می‌کند .

سنسورهای دمای مقاومتی

سنسورهای دمای مقاومتی (Resistive Temperature Detectors) (RTD) نوع دیگری از سنسورهای مقاومتی دما بوده و RTD نام دارند. این سنسورها از فلزات هادی فوق‌العاده خاص مانند ( پلاتین ، مس یا نیکل ) تولید می‌شوند که به صورت یک سیم پیچ درمی‌آید و مقاومت این فلز تابعی از دما می‌باشد همچنین برخی RTD ها از خمیر پلاتین ساخته شده‌اند که روی یک ویفر سرامیکی قرار گرفته است .

۴. سنسورهای دمای مقاومتی

سنسورهای دمای مقاومتی ضریب دمایی مثبت (PTC) دارند اما برخلاف ترمیستور دارای خروجی خطی هستند و به همین دلیل در اندازه‌گیری دما قابل اعتمادتر می‌باشند.

با وجود این میزان حساسیت دمایی آن‌ها فوق‌العاده پایین می‌باشد. به عبارتی دیگر باید تغییرات فوق‌العاده شدیدی در میزان دما اتفاق بیفتد تا ولتاژ خروجی به میزان کمی تغییر کند.

RTD هایی که از پلاتین ساخته می شوند (Platinum Resistance Thermometer) یا (PRT) نامیده می‌شوند که معرو‌ ترین آن‌ها سنسور PT100 است که در دمای صفر درجه سانتی گراد مقا,متی به بزرگی ۱۰۰Ω دارد. متاسفانه پلاتین فلز گران قیمتی می‌باشد و تهیه و خرید این‌گونه سنسورها را فوق‌العاده هزینه بر می‌کند.

همانند ترمیستور، RTD ها از المان های مقاومت پسیو هستند و باید حتماً جریان از خارج به آن‌ها اعمال شود . در این المان ها ولتاژ به صورت خطی با افزایش دما افزایش پیدا می کند یک RTD معمولی دارای مقاومتی به اندازه ی ۱۰۰Ω در دمای صفر درجه سانتی گراد می‌باشد و در دمای ۱۰۰ درجه مقوامت آن به ۱۴۰Ω می‌رسد بازه ی دمایی کارکرد این المان بین ۲۰۰- تا ۶۰۰ درجه سانتی گراد است.

از آنجایی که RTD یک المان مقاومتی است و با عبور جریان از خود مقاومت نشان می‌دهد به تدریج گرم خواهد شد و باعث به وجود آمدن خطا می‌شود به منظور اجتناب از این مشکل RTD به شبکه پل وتستون (Wheatstone Bridge Network) متصل می‌شود.

ترموکوپل

ترموکوپل پر استفاده‌ترین نوع تمام سنسورهای دما می‌باشد. ترموکوپل‌ها به دلیل سادگی طراحی، راحتی استفاده و سرعت پاسخ دهی‌شان به تغییرات دما بسیار رایج هستند. همچنین بازه‌ی دمایی آن‌ها نسبت به سنسورهای دیگر فوق‌العاده زیاد ( از ℃۲۰۰- تا ℃۲۰۰۰) می‌باشد .

ترموکوپل‌ها سنسورهای ترموالکتریکی هستند که به طور پایه از پیوند ۲ فلز غیرمشابه به وجود آمده‌اند. این ۲ فلز در ۲ نقطه به یکدیگر جوش میخورند دمای یک از این نقاط معمولاً ثابت نگه داشته می‌شود که به آن پیوند مرجع یا نقطه ی سرد گفته می‌شود در حالیکه نقطه‌ی دیگر پیوند داغ یا نقطه گرم است و دمای آن مدام تغییر می‌کند. هنگامی که دمای ۲ نقطه با یکدیگر تفاوت دارد یک اختلاف پتانسیل در طول پیوند به وجود می‌آید که از آن برای اندازه‌گیری میزان دما استفاده می شود.

ساختار ترموکوپل

۵. ساختار ترموکوپل

اصول کارکرد ترموکوپل خیلی راحت و قابل فهم است هنگامی که دو فلز نامتجانس به یکدیگر جوش می‌خورند اثری به نام اثر ترموالکتریک به وجود می‌آید که باعث می‌شود همواره بین دو فلز اختلاف پتانسیلی در حد چند میلی ولت وجود داشته باشد. هنگامی که دمای سیم‌های هدایت‌کننده جریان بالا می‌رود، یک نیرو محرکه القایی به وجود می‌آید و در نتیجه ولتاژ خروجی یک ترموکوپل تابعی از تغییرات دما می‌باشد .

اگر دمای هر دو پیوند یکسان باشد اختلاف پتانسیل میان دو پیوند صفر است و هیچ ولتاژی در خروجی نمایان نمی‌شود چرا که V۱=V۲ در هر صورت هنگامی که دمای یکی از پیوندها بالاتر از دیگری باشد به نسبت اختلاف دمای دو پیوند با یکدگیر یک ولتاژ خروجی خواهیم داشت ولتاژ خروجی به تدریج با گرمتر شدن پیوند داغ، بیشتر می‌شود تا به نقطه‌ی نهایی خود برسد. نقطه نهایی وابسته به مشخصات فیزیکی دو فلزی است که در ترموکوپل به کار رفته است.

ترموکوپل ها می‌توانند از مواد مختلفی ساخته شوند تا در دماهای فوق‌العاده پایین یا فوق‌العاده بالا کیفیت عمل‌کرد خودشان را حفظ کنند انواع مختلف ترموکوپل با کدهای رنگی به‌خصوصی مشخص می‌شوند و کاربر را قادر می‌سازد تا از میان انواع مختلف ترموکوپل ، نوع دلخواه خودش را بیابد کدهای رنگی انگلیسی برای ترموکوپل ها در جدول زیر نشان داده شده :

BRITISH BS 1843:1952

حساسیت

نوع فلزات به کار رفته

کد

	℃۲۰۰- تا ℃۹۰۰	نیکل کادمیوم/آلیاژ مس ـ نیکل	E
	℃۰ تا ℃۷۵۰	آهن / آلیاژ نیکل ـ مس	J
	℃۰ تا ℃۷۵۰	نیکل کرومیوم / نیکل آلمینیوم	K
	℃۰ تا ℃۱۲۵۰	آلیاژ نیکل- کروم – سیلیکون/آلیاژ نیکل - سیلیکون	N
	℃۲۰۰- تا ℃۳۵۰	مس/آلیاژ نیکل- مس	T
	℃ ۰ تا ℃۱۴۵۰	مس/ نیکل	U

۳ نوع از پرکاربردترین ترموکوپل ها که برای اندازه‌گیری اختلاف دما به کار برده می‌شوند عبارتند از ترموکوپل آهن ـ آلیاژ مس و نیکل ( نوع J) ، مس ـ آلیاژ مس و نیکل (نوع T) و نیکل ـ کرومیوم ( نوع K) .

ولتاژ خروجی ترموکوپل خیلی کوچک (در حد چند میلی ولت) به ازای ۱۰ درجه سانتی‌گراد تغییر در دمای نقطه داغ می‌باشد و به دلیل ولتاژ پایین قطعاً تقویت دامنه باید انجام گیرد.

تقویت دامنه و ولتاژ خروجی ترموکوپل

۵. تقویت دامنه و ولتاژ خروجی ترموکوپل

نوع تقویت‌کننده ترموکوپل باید به درستی انتخاب شود تا نیاز به کالیبره کردن مداوم دستگاه را مرتفع کند .

دیگر انواع سنسورهای دما که در اینجا به آن‌ها پرداخته نشده عبارتند از : سنسورهای نیمه هادی پیوندی، سنسورهای مادون قرمز و تابشی ، ترمومترهای پزشکی و مرکب و رنگ هایی که با تغییر دما رنگ عوض می‌کنند.

سنسورهایی که در این مقاله ذکر شد می‌توانند تغییرات دما را اندازه‌گیری کنند. در مقاله‌ی بعدی به سنسورهایی خواهیم پرداخت که شدت نور را اندازه‌گیری می‌کنند. مانند فوتودیود، فتوترانزیستور، سلول‌های PV و مقاومت‌های وابسته به نور .