متداول ترین نوع سنسورها، سنسورهای دما هستند. این نوع سنسورها انواع مختلفی دارند، از قطعات ترموستاتیک ساده ی خاموش/روشن که سیستم های گرمایشی آب گرم خانگی را کنترل می کند تا انواع نیمه هادی بسیار حساس که می تواند پروسه های پیچیده در کوره های حرارتی را کنترل کند.
از دروس دوره ی مدرسه به خاطر داریم که حرکت مولکول ها و اتم ها باعث تولید حرارت می شود (انرژی جنبشی) و حرکت بیشتر حرارت بیشتر تولید می کند. سنسورهای دمایی میزان انرژی حرارتی و یا حتی میزان سرمایی که توسط یک قطعه یا سیستم تولید می شود را اندازه گیری می کنند، که این امکان را برای ما فراهم می کند که تغییرات فیزیکی دما را به صورت خروجی های دیجیتال یا آنالوگ حس کرده و تشخیص دهیم.
انواع مختلفی از سنسورهای دما وجود دارند و همه ی آن ها ویژگی های متفاوتی دارند که به کاربرد واقعیشان بستگی دارد. سنسورهای دما بر دو نوع فیزیکی اصلی تقسیم بندی می شود:
– سنسور دمای تماسی (contact type) : این نوع از سنسورهای دمایی باید با جسمی که میخواهیم دمای آن را بدانیم در تماس باشند و جهت مانیتور تغییرات دمایی از رسانش استفاده می کنند. آن ها می توانند جهت بررسی دمای جامدات، مایعات و گازها در محدوده ی وسیعی از دماها مورد استفاده قرار گیرند.
– سنسور دمای بدون تماس (Non-contact type) : این نوع از سنسورهای دمایی از جریان های همرفتی و تابشی جهت مانیتور تغییرات دمایی بهره می برند. این سنسورها جهت بررسی دمای مایعات وگازها استفاده می شوند که هنگام افزایش حرارت از خود انرژی تابشی منتشر نموده و سرما در جریان های همرفتی پائین می ماند یا می توانند انرژی تابشی از یک جسم را که به صورت تابش های مادون قرمز است (مانند خورشید)، حس کنند.
هر دو نوع از سنسورهای دمایی تماسی و غیرتماسی می توانند به سه دسته ی زیر تقسیم بندی شوند که عبارتند از : سنسورهای الکترو-مکانیکی، سنسورهای مقاومتی و سنسورهای الکترونیکی. در ادامه به توضیح هر کدام از این سنسورها می پردازیم:
ترموستات :
ترموستات در واقع نوع تماسی از سنسورها یا سوئیچ های الکترو-مکانیکی هستند که اساسا شامل دو فلز مختلف از قبیل نیکل، مس، تنگستن، آلومینیوم و … هستند که به صورت یک نوار بی متال به یکدیگر متصل شده اند. ضریب انبساط خطی متفاوت دو فلز غیر مشابه، هنگامی که در معرض حرارت قرار می گیرد باعث خم شدن آن می شود.
این نوار بی متال می تواند به عنوان یک سوئیچ مکانیکی یا به عنوان یک روش مکانیکی جهت عملکرد یک سوئیچ الکتریکی در کنترل های ترموستاتیکی باشد، و به طور گسترده جهت کنترل المان های گرم کننده ی آب داغ در دیگ های بخار، کوره ها، مخازن ذخیره ی آب داغ و سیستم های خنک کننده ی رادیاتور خودروها استفاده می شوند.
ترموستات بی متال :
ترموستات از دو فلز مختلف تشکیل شده که از نظر حرارتی ویزگی های متفاوتی دارند و به صورت پشت به پشت (back to back) به یکدیگر اتصال یافته اند. وقتی که سرد است، اتصالات بسته شده و جریان از درون ترموستات عبور می کند. هنگامی که داغ می شود، یکی از فلزها نسبت به فلز دیگر بیشتر منبسط می شود و نوار بیمتال به سمت پائین یا بالا خم می شود و باعث باز شدن اتصالات شده و در نتیجه مانع عبور جریان می شود.
دو نوع کلی از نوارهای بی متال وجود دارند که بر مبنای حرکتشان هنگامی که در معرض حرارت قرار می گیرند، دسته بندی می شوند. در نوع “عکس العمل ناگهانی” یک رفتار “خاموش/روشن” به صورت فوری در اتصالات الکتریکی در دمایی که تنظیم کرده ایم (set point) اتفاق می افتد. در مقابل در نوع “عکس العمل آهسته” با تغییر دما به تدریج تغییر موقعیت می دهد.
ترموستات های عکس العمل ناگهانی را عموما در خانه هایمان برای کاربردهایی نظیر کنترل دمای فر، اتو، مخازن آب گرم استفاده می کنیم و نوع خاصی از آن به صورت نصب روی دیوار جهت کنترل سیستم گرمایش داخلی مورد استفاده قرار می گیرد.
نوع عکس العمل آهسته عموما از یک پیچه یا بخش مارپیچی بی متال تشکیل شده است که با تغییر دما به آهستگی باز می شود. به طور کلی نوارهای بی متال نوع آهسته نسبت به تغییرات دمایی حساس تر از انواع استاندارد “خاموش/روشن” ناگهانی هستند، به طوری که بلندتر و باریک تر بودن نوارها باعث می شود برای استفاده در گیج ها و صفحات نمایشگر دما مناسب تر باشند.
گرچه این وسایل ارزان بوده و دارای محدوده ی عملکرد وسیعی هستند، با این وجود یکی از معایب اصلی ترموستات های نوع عکس الهمل ناگهانی این است که هنگامی که به عنوان سنسور دما استفاده می شوند، از موقع باز شدن اتصال الکتریکی تا زمانی که دوباره بسته شود، دارای محدوده ی هیسترزیس بزرگی هستند. به عنوان مثال اگر دمای تنظیم 20 درجه ی سانتی گراد باشد ممکن است تا دمای 22 درجه اتصال باز نشود یا در دمای 18 درجه مجددا بسته شود.
بنابراین محدوده ی نوسانات دمایی می تواند بسیار بالا باشد. ترموستات های بی متالی که به صورت تجاری جهت استفاده های خانگی موجود هستند دارای پیچ خوردگی هایی برای تنظیم دما هستند که اجازه می دهد که دقت بیشتری در تنظیم دمای دلخواه (set point) داشته باشیم و همچنین بتوانیم سطح هیسترزیس را از قبل خودمان تنظیم کنیم.
ترموستات نوع خاموش/روشن
ترمیستور:
ترمیستور نوع دیگری از سنسورهای دمایی است که نام آن از ترکیب کلمات (THERM-ally sensitive res-ISTOR) به معنی مقاومت حساس به دما تشکیل شده است. ترمیستور نوع خاصی از مقاومت است که مقاومت آن هنگامی که در معرض تغییرات دمایی قرار می گیرد تغییر می کند.
ترمیستورها عموما از مواد سرامیکی مانند اکسید نیکل، منگنز یا کبالت که دارای پوشش شیشه ای هستند تشکیل شده اند که باعث می شود به راحتی خراب شوند. مزیت اصلی آن ها نسبت به نوع عکس العمل ناگهانی سرعت پاسخ آن ها نسبت به هرگونه تغییر در دما، دقت و قابلیت تکرار پذیری آن ها است.
یک نوع ترمیستور
بیشتر ترمیستورها دارای ضریب دمایی منفی برای مقاومت یا NTC هستند که مقاومت آن ها با افزایش دما کم می شود. البته برخی دیگرهستند دارای ضریب دمایی مثبت بوده که اصطلاحا PTC نامیده می شوند، در این نوع با افزایش دما مقدار مقاومت نیز افزایش می یابد.
ترمیستورها از مواد نیمه هادی سرامیکی با استفاده از تکنولوژی اکسید فلز از قبیل منگنز، کبالت و نیکل و … ساخته شده اند. مواد نیمه هادی عموما به صورت دیسک ها یا توپ های کوچک شکل می گیرند که به صورت محکم چسبیده شده اند تا پاسخ سریعی به هرگونه تغییرات دما بدهند.
ترمیستورها بر مبنای مقاومتشان در دمای اتاق (معملا 25 درجه ی سانتی گراد)، ثابت زمانی آن ها (زمان مورد نیاز جهت عکس العمل به تغییرات دما) و توان نامی آن ها با توجه به جریان گذرنده، دسته بندی می شوند. مانند مقاومت ها، ترمیستورها با مقادیر مقاومت مختلف در دمای اتاق در محدوده ی از چندین اهم تا دهها مگا اهم موجود می باشند.
ترمیستورها قطعات مقاومتی پسیو هستند، بدین معنا که باید از آن ها جریانی عبور داد تا یک خروجی ولتاژ قابل اندازه گیری تولید شود. از این رو ترمیستورها عموما به صورت سری با یک مقاومت بایاس کننده قرار می گیرند تا یک شبکه ی تقسیم ولتاژ را ایجاد کنند. انتخاب مقاومت باعث تعیین خروجی ولتاژ در یک مقدار دمای از پیش تعیین شده می شود. به مثالی در این زمینه توجه کنید :
مثالی برای سنسور دما :
مقدار مقاومت ترمیستور زیر در دمای 25 درجه ی سانتی گراد 10 کیلو اهم و در دمای 100 درجه دارای مقاومت 100 اهم است. مقدار افت ولتاژ و ولتاژ خروجی (Vout) را هنگامی که به یک مقاومت سری 1 کیلو اهمی و منبع تغذیه ی 12 ولت متصل می شود، در هر دو دما محاسبه کنید.
با تغییرمقدار مقاومت ثابت R2 (که در این مثال 1 کیلو اهم می باشد) به صورت از پیش تعیین شده یا از طریق پتانسیومتر، می توان یک ولتاژ خروجی در مقدار دمای از پیش تعیین شده به دست بیاوریم؛ به عنوان مثال یک خروجی 5 ولت در دمای 60 درجه ی سانتی گراد داشته باشیم و یا با تغییر پتانسیومتر می توان یک ولتاژ خروجی خاص را در یک محدوده ی دمایی وسیع تر بدست آورد.
لازم به ذکر است که ترمیستورها ادوات غیر خطی هستند و مقدار مقاومت استاندارد آن ها در دمای اتاق، در ترمیستورهای مختلف متفاوت می باشد که این مسئله مستقیما به ماده ی نیمه هادی به کار رفته در ساختار آن ها بستگی دارد. ترمیستورها نسبت به دما تغییرات نمایی دارند و دارای ثابت بتا (β) که می تواند جهت محاسبه ی مقاومت در هر دمایی مورد استفاده قرار گیرد.
اما به هر حال هنگامی که ترمیستورها در یک شبکه ی تقسیم ولتاژ به صورت سری با یک مقاومت قرار گرفته و یا در ترکیب پل وتستون قرار می گیرند، جریان حاصل از اعمال ولتاژ به شبکه ی تقسیم کننده یا پل وتستون نسبت به دما خطی می باشد. پس ولتاژ خروجی دو سر مقاومت نسبت به دما خطی است.
دتکتور دمای مقاومتی (RTD) :
نوع دیگری از سنسور دمای مقاومتی الکتریکی دتکتور دمای مقاومتی یا RTD می باشد. RTD ها سنسورهای دمایی دقیقی هستند که از فلزهای رسانای بسیار خالصی مانند پلاتین، مس یا نیکل به صورت یک پیچه ساخته شده اند، و تابع تغییرات مقاومت الکتریکی آن ها بر حسب دما، شبیه به آن چیزی است که در ترمیسترها وجود دارد. این قطعات دارای یک غشای باریک از خمیر پلاتین هستند که روی یک زیر لایه ی سرامیکی سفید قرار می گیرند.
یک RTD مقاومتی
دتکتورهای دمایی مقاومتی دارای ضریب دمایی مثبت (PTC) هستند ولی برخلاف ترمیستور خروجی آن ها به شدت خطی است که موجب شده به صورت خیلی دقیق دما را اندازه گیری کند.
اما آن ها دارای حساسیت دمایی بسیار کمی بوده، به طوری که تغییرات دمایی باعث ایجاد تغییرات ولتاژ کوچکی می شود، به عنوان مثال 1Ω/C.
نوع بسیار متداول RTD از جنس پلاتین ساخته شده است که دماسنج مقاومتی پلاتینی یا PRT نامیده می شود که مدل پرکاربرد در دسترس از آن ها سنسور PT100 است، که دارای مقاومت استاندارد 100 اهم در دمای صفر درجه ی سانتی گراد است. درون این قطعات از پلاتین استفاده شده که فلز گران قیمتی می باشد و یکی از معایب این نوع سنسورها قیمت بالای آن ها است.
مانند ترمیستور، RTD ها هم قطعات مقاومتی پسیو هستند و با عبور جریان ثابت از درون سنسور دما می توان یک ولتاژ خروجی به دست آورد که به صورت خطی با دما تغییر می کند. یک RTD معمول دارای مقاومت مبنای حدود 100 اهم در دمای صفر درجه ی سانتی گراد است که در دمای 100 درجه به مقدار 140 اهم می رسد و محدوده ی دمایی عملکرد آن بین 200- درجه تا 600+ درجه ی سانتی گراد است.
از آنجایی که RTD ها عناصر مقاومتی هستند، نیاز داریم که جریانی از آن عبور دهیم و سپس ولتاژ حاصل را بررسی کنیم. در هر حال تغییرات مقاومت که بر اثر خود گرمایشی قسمت های مقاومتی هنگام عبور جریان ایجاد می شود، IR (قانون اهم) باعث ایجاد خطا می شود. برای اجتناب از بروز این مسئله، RTD معمولا به شبکه ی پل وتستون متصل می شود که دارای اتصالات اضافی برای جبران پیش فاز و یا اتصال به منبع جریان ثابت است.
ترموکوپل :
ترموکوپل متداول ترین نوع سنسور دمایی است که تا به حال مورد استفاده قرار گرفته است. ترموکوپل ها به دلیل سادگی، راحتی در استفاده، سرعت پاسخ به تغییرات دمایی و با توجه به اندازه ی کوچکی که دارند بسیار محبوب و پرکاربرد هستند. همچنین ترموکوپل ها دارای وسیع ترین محدوده ی دمایی نسبت به همه ی سنسورهای دما بوده و از دمای 200- درجه ی سانتی گراد تا بیش از 2000+ درجه ی سانتی گراد را پوشش می دهند.
ترموکوپل ها در واقع سنسورهای حرارتی-الکتریکی هستند که شامل دو اتصال از دو فلز نامشابه است مانند مس و کنستانتان که به یکدیگر جوش خورده یا پیچانده شده اند. یکی از اتصالات در دمای ثابت نگه داشته می شود که اتصال مرجع یا سرد نامیده می شود، و به دیگری اتصال اندازه گیری یا داغ گفته می شود. هنگامی که این دو اتصال در دماهای مختلفی قرار می گیرند، همان گونه که در شکل زیر نشان داده شده است یک اختلاف ولتاژ دو سر پیوند اندازه گیری ایجاد می شود.
ساختار ترموکوپل
مبنای عملکرد ترموکوپل بسیار ساده و ابتدایی است. وقتی دو فلز به یکدیگر جوش می خورند، محل اتصال دو فلز نامشابه مانند مس و کنستانتان یک اثر “حرارتی-الکتریکی” ایجاد نموده که باعث تولید اختلاف ولتاژی در حد چند میلی ولت بین آن ها می شود. اختلاف ولتاژ بین دو اتصال “پدیده زبک” (Seebeck effect) نامیده می شود، به طوری که اختلاف دمایی و یا گرادیان حرارتی ایجاد شده در طول سیم های رسانا باعث تولید emf می شود. پس ولتاژ خروجی ترموکوپل تابعی از تغییرات دما است.
اگر دو اتصال در دمای یکسانی باشند، اختلاف پتانسیل ایجاد شده در دو سر اتصالات صفر می باشد و به عبارت دیگر هیچ ولتاژ خروجی نداریم یعنی V1 = V2. به هر حال هنگامی که این دو اتصال از طریق یک مدار به یکدیگر متصل شوند و هر دو در دماهای مختلفی باشند، یک اختلاف ولتاژ به صورت V1 – V2که متناسب با اختلاف دمای دو اتصال است مشاهده می شود. این اختلاف پتانسیل با افزایش دما زیاد می شود تا به مقدار پیک ولتاژ اتصالات می رسد که این مقدار به ویژگی های دو فلز نامشابه بستگی دارد.
ترموکوپل ها می توانند از فلزات مختلفی ساخته شوند که باعث می شود بتوانیم دماهای بسیار زیادی را بین 200- درجه ی سانتی گراد تا بیش از 2000+ درجه را اندازه گیری کنیم. با چنین محدوده ی وسیعی از انتخاب فلزات و دماهای مختلف، استانداردهای شناسایی بین المللی با استفاده از کد رنگی ترموکوپل ها ایجاد شده و توسعه یافتند که به کاربران اجازه می دهد سنسور ترموکوپل صحیح را برای کاربردهای مورد نظرشان انتخاب کنند. کدهای رنگی در استاندارد انگلیسی ترموکوپل ها به صورت زیر می باشد.
کد رنگی ترموکوپل ها
سه فلز پرکاربرد در ترموکوپل ها که در جدول فوق برای اندازه گیری های عمومی دما نام برده شده است عبارتند از: آهن – کنستانتان (نوع J) ، مس – کنستانتان (نوع T) و نیکل – کروم (نوع K). ولتاژ خروجی از ترموکوپل بسیار کوچک است و چیزی حدود چند میلی ولت برای 10 درجه ی سانتی گراد اختلاف دمایی است. به دلیل همین ولتاژ خروجی کوچک عموما به تقویت کننده هایی نیاز داریم.
تقویت کننده ی ترموکوپل
نوع تقویت کننده چه به صورت گسسته یا به فرم تقویت کننده ی عملیاتی باید به دقت انتخاب شود، زیرا برای اجتناب از تنظیمات مجدد ترموکوپل در بازه های زمانی پی در پی به پایداری مناسبی نیاز داریم. این مسئله باعث می شود تقویت کننده های ابزاری (instrumentation) و خرد کننده (chopper) برای اکثر کاربردهای اندازه گیری دما مورد استفاده قرار گیرند.
انواع دیگر سنسورهای دما وجود دارد که در این مقاله ذکر نشده اند از قبیل سنسورهای پیوندی نیمه هادی، سنسورهای تابشی حرارتی و مادون قرمز، دماسنج ها، نمایشگرها و جوهرهای پزشکی با رنگ متغیر.