سنسور دما چیست؟

در آموزشی که برای این جلسه تدارک دیده‌ایم، قرار است با سنسور دما و نحوه‌ی عملکرد آن آشنا شوید.

چه در زندگی روزمره و چه در کاربردهای فراوانی در صنایع، مواردی پیش می‌آیند که نیاز داریم دمای یک محیط، دمای داخل یک راکتور، دمای داخل سیم‌پیچ یک ماشین الکتریکی و هزاران نمونه‌ی دیگر در زندگی روزمره و چه در کاربردهای فراوانی در صنایع، مواردی پیش می‌آیند که نیاز داریم دمای یک محیط، دمای داخل یک راکتور، دمای داخل سیم‌پیچ یک ماشین الکتریکی و هزاران نمونه‌ی دیگر این‌چنینی را بدانیم. برای رسیدن به این هدف به سنسور دماسنج نیاز داریم.گر این‌چنینی را بدانیم. برای رسیدن به این هدف به سنسورهای دماسنج نیاز داریم.

اگر با مفهوم سنسور و انواع آن آشنا نیستید مقالات زیر میتونن برای شما خیلی مفید واقع بشن.

• سنسور چیست و انواع سنسور ( فشار ، گاز ، مادون قرمز ، اولتراسونیک ، رنگ ، اثر هال …)
• انواع سنسورها

تکنیک‌‌های مختلف به کار رفته در ساخت سنسور دما

در طول سالیان سال، از روش‌های مختلف و متعددی برای اندازه‌گیری دما در کاربردهای مختلف استفاده شده‌ است. اما چرا تکنولوژی‌ها و تکنیک‌های متفاوت به کار گرفته شده است؟ پاسخ این سوال در خودش نهفته است. چون هر کدام از این تکنیک‌ها به منظور کاربردهای خاص و متفاوتی طراحی شده‌اند و هر یک برای استفاده در آن موارد مرتبط تکنیک خوبی محسوب می‌شوند. به این ترتیب نمی‌توان گفت که از میان روش‌های مختلفی که همواره وجود داشته و دارند، یکی از بقیه بهتر یا کارآمدتر است.

مثلا ممکن است تا به حال نام مواردی چون RTD، ترموکوپل، ترمیستور و سمی کنداکتور (Semiconductor) به گوش‌تان خورده باشد. ما در ادامه‌ی این مطلب قصد داریم هر کدام از آن‌ها را به طور دقیق توضیح دهیم.

ترانسمیتر دما

قبل از اینکه وارد بحث توضیح این مواردی که نام بردیم بشویم، ابتدا یکبار با هم سنسور دماسنج یا به عبارت دقیق‌تر مبدل دما را تعریف می‌کنیم و از همین مدخل به مفهوم ترانسمیتر دما می‌پردازیم.

به طور کلی یک سنسور یا یک مبدل، ابزاری فیزیکی‌ می‌باشد که قادر است مقادیر عددی یک فرآیند را دریافت کرده و آن‌ها را به زبان سیگنالی که مدنظر ما باشد ترجمه کند.

برای اینکه این جمله‌ی کلی و شاید قدری مبهم را روشن‌تر کنیم، اجازه دهید یک مثال بزنیم.

دما، فشار، شدت جریان یا هرچیز دیگری شبیه این‌ها، مقادیر عددی فرآیند‌ها هستند. در واقع این مقادیر عددی همان ویژگی‌های فیزیکی دنیای واقعی ما هستند.

بواسطه‌ی پیدایش تکنولوژی‌های جدید و نیز پیشرفت‌های عظیمی که در دهه‌های اخیر در علم مهندسی الکترونیک رخ داده‌اند، به طور معمول ما تمایل داریم که هر پارامتر عددی و قابل اندازه‌گیری را به یک سیگنال الکتریکی تبدیل کنیم. و در این‌جاست که می‌توانیم بگوییم سنسور دماسنج وسیله‌ای‌ است که دمای اندازه‌گیری شده را به یک سیگنال الکتریکی تبدیل می‌کند، حتی اگر این سیگنال، سیگنالِ بسیار ضعیفی باشد.

مهم‌ترین قدمی که در ساختار یک سنسور دماسنج باید برداشته شود همین تبدیل دما به سیگنال الکتریکی است.

بسته به اینکه در ساخت هر سنسوری از چه تکنولوژی‌ای استفاده شده است، محدوده‌ی این سیگنال‌های الکتریکی می‌تواند متفاوت باشد. مثلا در کاربردهای صنعتی، این سیگنال‌ها باید در یکی از محدوده‌‌های مورد توافق جهانی باشند. برخی از این محدوده‌های استاندارد عبارتند از:

• از 4 تا 20 میلی آمپر
• از 1 تا 5 ولت
• از صفر تا 10 ولت

ترانسمیتر دما وسیله‌ای است که خروجی‌های بضعا ضعیف را از مبدل دما دریافت کرده و آن‌ها را به یکی از این محدوده‌های استاندارد تبدیل می‌کند.

آشکارساز (سنسور) دمای مقاوتی: RTD

خب، حالا به همان بحث انواع تکنیک‌های به کار رفته در ساخت مبدل‌های دما برگردیم.

RTD یا آشکارساز دمای مقاوتی (Resistance Temperature Detector) قطعه‌ای است که مقاومت آن متناسب با مقدار دمایی که حس می‌کند، تغییر می‌کند.

از آن‌جا که این قطعه یک قطعه‌ی پسیو (غیرفعال) است، برای اندازه‌گیری مقاومت آن باید یک جریان الکتریکی خارجی به آن اعمال شده و افت ولتاژ دوسر آن اندازه‌گیری شود. این افت ولتاژ متاثر از تغییرات مقاومت و تغیرات مقاومت همان‌طور که گفتیم متناسب با دماست. (منظور از قطعه‌ی پسیو این است که برای اندازه‌گیری مقاومت آن باید از یک منبع خارجی ولتاژ یا جریان کمک بگیریم)

لازم به گفتن نیست که اگر مقدار این جریان خارجی اعمال شده زیاد باشد، مقاومت موجود در RTD تلفات توان بالا و در نتیجه تولید گرمای بیشتری خواهد داشت. پس برای آن‌که چنین وضعیتی رخ ندهد، اندازه‌ی جریان اعمال شده باید در کمترین میزان ممکن نگه‌داشته شود.

شماتیک مداری که در تصویر فوق می‌بینید، ساده‌ترین نوع کاربرد RTD‌ها در مدار است و به آن پیکربندی two-wire گفته می‌شود. اما اگر بخواهیم دقت بیشتری در خواندن دما داشته باشیم، می‌توان از پیکربندی‌های سه سیم یا چهار سیم نیز استفاده کرد و البته چیزی که در واقعیت تعیین می‌کند که شما از چه پیکربندی‌ای استفاده کنید، فاصله‌ی سیستم دماسنج با نقطه‌ای که قرار است دمای آن اندازه‌گیری شود می‌باشد. چرا که این سیم‌های واسط هم دارای مقاومتی هستند که ممکن است بر مقاومت RTD تاثیر بگذارند. این خود نوعی خطاست که باید بشدت در مورد آن مراقب بود. آرایش‌های سه سیم و چهار سیم به نوعی طراحی شده‌اند که این خطا در آن‌ها به حداقل ممکن برسد. (اگر به تصاویر دقت کنید می‌بینید که ایده‌ی اصلی موازی کردن سیم‌هاست که مقدار مقاومت‌های پارازیتی کاهش پیدا کند)

یکی از معروف‌ترین RTD های موجود، PT100 است که از یک ورقه‌ی نازک پلاتینیومی که بر روی صفحه‌ای پلاستیکی قرار گرفته است، ساخته می‌شود. این RTD در دمای 32 درجه فارنهایت مقاومتی در حدود 100Ω از خود نشان می‌دهد.

این مقاومت متناسب با دما تغییر می‌کند و می‌تواند دماهایی در بازه‌ی 330- تا 1560 درجه‌ی فارنهایت را اندازه‌گیری کند.

رابطه‌ی بین تغییر دما و تغییر مقاومت در PT100 در نمودار زیر نشان داده شده است.

PT100 تنها یک نمونه از RTDهای پلاتینیومی است. در صنعت انواع مختلفی از RTDها استفاده می‌شوند که هر کدام برای کاربردهای خاصی مناسب هستند. به عنوان مثال RTDهای مس، نیکل، نیکل–آهن و …

ترمیستور

ترمیستورها (Thermistors) مقاومت‌های وابسته به دما هستند (تفاوت آن‌ها با RTDها در این است که RTDها از فلزات ساخته می‌شوند و ترمیستورها از عناصر نیمه‌هادی) و به طور گسترده‌ای در صنعت کاربرد دارند. از جمله کاربردهای آن‌ها می‌توان موارد زیر را نام برد.

• حفاظت جریان زیاد (Over-current protection)
• المنت‌های گرمایی خودتنظیم
• محدودکننده‌های جریان تهاجمی

ترمیستورها می‌توانند NTC یا PTC باشند.

در ترمیستورهای NTC یا ضریب دمایی منفی (Negative Temperature Coefficient)، با افزایش دما، مقاومت کاهش می‌یابد. این نوع را معمولا به عنوان محدودکننده‌ی جریان تهاجمی استفاده می‌کنند.

در ترمیستورهای PTC یا ضریب دمایی مثبت (Positive Temperature Coefficient)، مقاومت با افزایش دما افزایش می‌یابد. از این نوع برای حفاظت در برابر جریان زیاد و یا به منظور استفاده در فیوزهای قابل تنظیم مجدد (resettable fuses) استفاده می‌کنند.

ترموکوپل

یک ترموکوپل یا به اختصار همان TC معروف، از تعدادی سیم متفاوت و متمایز (از نظر جنس) که به هم اتصال یافته‌اند تشکیل شده است. در نقاط اتصال این سیم‌ها «نقطه سنجش» یا «نقطه‌ اتصال» را داریم.

براساس ویژگی‌های فیزیکی‌ای که اثر ترموالکتریک نام دارند، زمانی که این نقطه اتصال در معرض یک دمای متفاوت با دمای فعلی خود قرار می‌گیرد، سیگنال‌های ولتاژی در مقیاس میلی‌ولت تولید می‌شوند که می‌توانند به عنوان نشانگرهای دما و تغییر دما تفسیر شوند.

یکی از تفاوت‌های اصلی ترموکوپل‌ها با RTDها همین است که ترموکوپل‌ها برای تولید این سیگنال‌ها نیاز به هیچ محرک خارجی و اعمال جریان بیرونی‌ای ندارند. برخلاف RTDها که گفتیم المان‌هایی پسیو هستند و لازم است یک جریان خارجی به آن‌ها اعمال شود.

از ترموکوپل‌ها در کوره‌ها، در محفظه‌ی احتراق توربین‌های گازی، در لوله‌های اگزوزی که دمای بسیار بالا دارند و … استفاده می‌شود.

تنها محدودیتی که ترموکوپل‌ها دارند دقت آن‌هاست که می‌توان گفت برای کاربردهایی که به اندازه‌گیری دقیق دما نیاز داریم مناسب نیستند.

نکته‌ی دیگری که خوب است در مورد ترموکوپل‌ها بیشتر در رابطه با آن توضیح دهیم، نیاز به نقطه‌ی اتصال سرد است. این نقاط در واقع نقاط مرجع برای سنجش دما هستند. یعنی دمای هر محیط، نسبت به دمای این نقطه سنجیده می‌شود. معمولا نقطه‌ی اتصال سرد در یک سیستم ترموکوپل در نزدیکی خود ترموکوپل و نقطه‌ی اتصالی که در معرض دمای محیط قرار می‌گیرد، در نقطه‌ای دورتر واقع می‌شود.

براساس اینکه محدوده‌ی اندازه‌گیری دما چه محدوده‌ای باشد، فاکتورهای مختلفی که در ترموکوپل‌ها وجود دارند مانند ضریب حساسیت، می‌توانند در کاربردهای مختلف متفاوت باشند و به این ترتیب ما انواع مختلفی از ترموکوپل ها را در دسترس داریم مثلا ترموکوپل‌های نوع N، نوع J، نوع K ،M ،N ،T و …

مثلا ترموکوپل نوع J را در نظر بگیرید؛ این ترموکوپل از اتصال دو سیم، یکی از جنس‌ آهن و دیگری از جنس آلیاژ کنستانتان تشکیل شده است و می‌تواند دماهای از 40- درجه فارنهایت تا 1380 درجه‌ی فارنهایت را اندازه‌گیری کند. ضریب حساسیت آن نیز در حدود 27.8 µV/°F است.

یا مثلا ترموکوپل نوع K؛ که از اتصال آلیاژهای آلومل و کرومل ساخته می‌شود و یکی از رایج‌ترین انواع ترموکوپل‌هاست که در بسیاری از کاربردها قابل استفاده است. ضریب دمایی آن حدودا F/µV° 22.8 است، قیمت آن بسیار مناسب است و دماهایی در بازه‌ی دمایی 330- درجه فارنهایت تا 2460 درجه فارنهایت را اندازه‌گیری می‌کند.

همان‌طور که در ابتدا گفتیم و در توضیحات نیز دیدیم، عملکرد ترموکوپل‌ها براساس اثر ترموالکتریک بر رساناهای مختلف است. به همین علت؛ زمانی که محل قرارگیری نقطه‌ی سنجش یک ترموکوپل نسبت به محل قرارگیری تجهیزات اندازه‌گیری نظیر فرستنده‌های الکترونیکی و نقطه‌ی اتصال سرد و … در فاصله‌ی دوری قرار داشته باشد، باید حتما توجه کرد که رساناهایی که در این موارد در ساخت ترموکوپل استفاده شده‌اند، قابلیت انبساط و انقباض در چنین فاصله‌های بلندی را داشته باشند. در غیر این صورت، سیگنال‌های کوچک تولیدی توسط ترموکوپل با سیگنال‌های خطا جمع شده و اندازه‌گیری درستی نخواهیم داشت.

سنسورهای دماسنج نیمه‌ هادی (Semiconductor)

این نوع سنسورها براساس این واقعیت کار می‌کنند که ولتاژ نقطه‌ی اتصال در یک اتصال p-n، مثلا در یک دیود یا در یک اتصال بیس-امیتر در ترانزیستورها، تابع دماست.

از چنین خاصیتی در قطعات IC و ابزارهای الکترونیکی استفاده‌های فراوانی می‌شود. از دیگر ویژگی‌های چنین اتصالی ایجاد مشخصه‌ی جریان-ولتاژ خطی، ابعاد کوچک و هزینه‌ی تمام شده‌ی پایین است و البته تنها نقطه‌ ضعف آن‌ها محدوده‌ی دمای اندازه‌گیری آن‌هاست که با توجه به کوچک بودن بازه‌ی آن (از 40- درجه فارنهایت تا 248 درجه فارنهایت) باعث می‌شود تنها در کاربردهای خاصی بتوان از این نوع دماسنج‌ها استفاده نمود و البته در کنار تمام این بحث‌ها و مزایا و معایب فنی که در مورد هر کدام از دماسنج‌ها ذکر کردیم و وجود دارد، گاهی این پول است که عامل نهایی تعیین‌کننده‌ی انتخاب دماسنج مناسب است. به عبارتی غالبا پول است که حرف اول را می‌زند.

مقایسه بین انواع دماسنج‌ها

خب، قبل از اینکه بخواهیم این آموزش را به انتها برسانیم، بد نیست مقایسه‌ای چند وجهی نیز میان انواع مختلف سنسورهای دماسنج انجام دهیم. اگر بخواهیم دقت اندازه‌گیری را به عنوان معیار اصلی عملکرد در نظر بگیریم؛ RTD ها از ترموکوپل‌ها دقیق‌تر هستند؛ چیزی در حدود 10 برابر دقیق‌تر. اگر از نظرگاه ضریب حساسیت بخواهیم مقایسه کنیم؛ هم RTD ها و هم ترموکوپل‌ها در برابر تغییر دما به سرعت واکنش نشان می‌دهند. اما در شرایط یکسان هزینه‌ای و … می‌توان گفت که معمولا ترموکوپل‌ها از این نظر بهتر هستند.

یا مثلا اگر مقصود ما اندازه‌گیری دمای یک PCB و یا یک قطعه‌ی IC باشد، طبیعتا دماسنج‌های نیمه‌هادی انتخاب بهتری نسبت به بقیه خواهند بود.

و البته خالی از لطف نیست که باز هم یادآوری کنیم در اغلب اوقات پول می‌تواند برهم زننده‌ی تمام این سبک و سنگین کردن‌های فنی باشد.

اگر علاقه‌مند بودید که بازهم آموزش‌های بیشتری در این رابطه داشته ‌باشیم، حتما به ما اطلاع دهید.

• منبع: ترجمه از سایت realpars.com

اگر آموزش سنسور دما چیست؟ براتون مفید واقع شده ما را نیز دعا کنید و اگر خواستین می‌توانید از محتوا‌ی رایگان آموزشی حمایت مالی کنید. همچنین نظرات، پیشنهادات و درخواست‌های خود را در کامنت‌ها ⇓ بنویسید.

اگر این نوشته‌ برایتان مفید بود لطفا کامنت بنویسید.