سنسور دما چیست؟

سنسور های دما با ارائه خوانش از طریق سیگنال های الکتریکی کار می کنند. حسگرها از دو فلز تشکیل شده‌اند که با اندازه‌گیری ولتاژ در پایانه‌های دیود، ولتاژ یا مقاومت الکتریکی ایجاد می‌کنند. با افزایش ولتاژ، دما نیز افزایش می یابد.

سنسورهای دما وسایلی هستند که اندازه گیری دما را از طریق سیگنال الکتریکی ارائه می کنند. ابتدایی ترین راه برای اندازه گیری دما استفاده از دماسنج است. این مقدار گرم یا سرد بودن چیزی را اندازه می گیرد. با پیشرفت تکنولوژی، اکنون به انواع سنسورهای دما دسترسی داریم که بسیار دقیق تر هستند.

سنسورهای دما برای طیف وسیعی از کاربردها بسیار مفید و ضروری هستند. در واقع، حتی ممکن است بیشتر از آنچه فکر می کنید از آنها استفاده کنید! آنها برای مایکروویو، یخچال و آبگرمکن در خانه شما استفاده می شوند. سنسورهای دما نیز در این زمینه استفاده می شود. به عنوان مثال، دماسنج ها نقش حیاتی در پایش ژئوتکنیکی و انرژی های تجدیدپذیر دارند.

این مقاله نحوه عملکرد سنسورهای دما، انواع مختلف سنسورها و رایج ترین کاربردهایی که از آنها استفاده می شود را توضیح می دهد.

تکنولوژی‌های سنسور دما

در طول سال‌ها، ما فناوری‌های مختلفی را برای اندازه‌گیری دما در کاربردهای خاص مختلف اختراع کرده‌ایم.

اما چرا فناوری های مختلف؟

این به دلیل برنامه های مختلف است که یک تکنیک را برای هر مورد خاص بهتر از تکنیک های دیگر می کند و هیچ روش منحصر به فردی برای همه برنامه ها توصیه نمی شود.

 

فرستنده دما

قبل از اینکه به جزئیات این موضوع بپردازم، بیایید ببینیم “سنسور دما” (مبدل دما) چیست و “فرستنده دما” به چه معناست.
به طور کلی، حسگر یا مبدل یک دستگاه فیزیکی است که قادر است یک نوع متغیر فرآیند را به نوع سیگنال مورد علاقه من تبدیل کند. 

برای توضیح بیشتر در مورد این جمله کلی، اجازه دهید مثالی برای شما بزنم.

دما، فشار، دبی و غیره، برخی از متغیرهای فرآیند هستند و در واقع ویژگی های فیزیکی دنیای واقعی ما هستند.
با تکنولوژی مدرن و به دلیل پیشرفت های فوق العاده در مهندسی برق در قرن گذشته، ما دوست داریم برای تبدیل هر مقدار فرآیند قابل اندازه گیری به سیگنال الکتریکی و سنسور دما وسیله ای است که دما را به سیگنال الکتریکی تبدیل می کند، مهم نیست که میزان این سیگنال چقدر ناچیز باشد!

تاکنون من یک “گام اول” بزرگ برداشتم که تبدیل “دما” به “سیگنال الکتریکی” بود.

بر اساس فن‌آوری‌های حسگر مختلف، این سیگنال ممکن است دامنه‌های متفاوتی داشته باشد و برای کاربردهای صنعتی، باید سیگنال‌هایم را محدود به برخی از “محدوده سیگنال” الکتریکی پذیرفته‌شده جهانی داشته باشم.

برخی از محدوده های سیگنال الکتریکی پذیرفته شده جهانی:

انواع سنسور دما: 

سنسورها انواع مختلفی دارند که بر اساس اتصالشان دسته بندی می شوند. با توجه به نوع کاربرد مورد استفاده یا صنعتی که در آن کار می کنید، سنسورهای دما دو دسته اصلی دارند:

1- سنسورهای دما تماسی

سنسورهای دمای تماس درجه گرمی یا سردی یک جسم یا ماده را از طریق تماس مستقیم اندازه گیری می کنند. آنها معمولاً برای تشخیص طیف گسترده ای از دماها در جامدات، مایعات یا گازهای مختلف استفاده می شوند.

2- سنسورهای دمای غیر تماسی

این دماسنج‌ها هرگز در تماس مستقیم با جسم یا ماده نیستند، بنابراین در محیط‌های خطرناک مانند صنایع نیروگاهی کاربرد وسیعی دارند. آنها گرم یا سرد بودن چیزی را از طریق تشعشعات ساطع شده از منبع گرما اندازه گیری می کنند.

 

برای درک نحوه عملکرد سنسورهای دما، در زیر به عمق بیشتر هر نوع سنسور دما خواهیم پرداخت:

آشکارسازهای دمای مقاومتی (RTD)

اکنون اجازه دهید به فناوری‌های مختلف «مبدل دما» برگردیم.

RTD یا “ردیاب دمای مقاومتی” دستگاهی است که مقاومت آن با دما متفاوت است.

از آنجایی که یک “منفعل” باید یک جریان الکتریکی خارجی به دستگاه اعمال شود و سپس افت ولتاژ در آن اندازه گیری شود. این ولتاژ نشانه خوبی از دما است.

هنگامی که به چنین دستگاهی به عنوان “غیرفعال” اشاره می شود، به این معنی است که دستگاه به منبع جریان (یا ولتاژ) خارجی نیاز دارد.

برای بیان واضح، مقدار زیاد جریان خارجی می‌تواند باعث اتلاف توان در مقاومت RTD و گرمای اضافی شود، بنابراین برای جلوگیری از این نوع خطا، جریان باید در حداقل سطح نگه داشته شود.

این نمودار سیم‌کشی ساده‌ترین کاربرد یک RTD به نام پیکربندی “دو سیم” را نشان می‌دهد. 

خواندن دقیق‌تر پیکربندی‌های ۳ یا ۴ سیمی را می‌طلبد.

در واقع، فاصله بین نقطه سنجش دما و سیستم اندازه‌گیری نیاز به سیم‌کشی دارد و از آنجایی که سیم‌کشی واقعی مقاومت خاص خود را دارد، برخی از خطاهای اندازه‌گیری از این طریق پنهان می‌شود!

راه‌حل‌های سه سیم (۳ سیم) و چهار سیم (۴ سیم) برای حذف این خطا ایجاد شده‌اند.

یکی از رایج ترین RTD ها “PT100” است که از یک لایه نازک پلاتین روی یک لایه پلاستیکی تشکیل شده است و مقاومت ۱۰۰Ω را در ۳۲ درجه فارنهایت نشان می دهد.

مقاومت آن با دما متفاوت است و معمولاً می تواند دما را از -۳۳۰ تا ۱۵۶۰ درجه فارنهایت اندازه گیری کند.

رابطه بین مقاومت و دمای PT100 نسبتاً خطی است.

PT100 تنها نمونه ای از RTD های پلاتین است و در صنعت می توانید انواع RTD های مختلف را برای کاربردهای مختلف مانند مس، نیکل، نیکل-آهن و غیره پیدا کنید.

ترمیستور

ترمیستورها مقاومت های وابسته به دما هستند و به طور گسترده در اهداف صنعتی استفاده می شوند، مانند:

ترمیستورها می توانند NTC یا PTC باشند.
در ترمیستورهای NTC (ضریب دمای منفی)، مقاومت با افزایش دما کاهش می یابد.

NTCها معمولاً به عنوان محدود کننده های جریان هجومی استفاده می شوند.

با ترمیستورهای PTC (ضریب دمای مثبت)، مقاومت با افزایش دما افزایش می‌یابد.

ترمیستورهای PTC معمولاً به عنوان محافظ جریان اضافه و در فیوزهای قابل تنظیم مجدد استفاده می شوند.

ترموکوپل

یک ترموکوپل یا به سادگی “TC” از چند سیم خاص غیرمشابه تشکیل شده است که به هم متصل شده اند و “نقطه سنجش” یا “اتصال” را تشکیل می دهند.

بر اساس ویژگی‌های فیزیکی به نام «اثر ترموالکتریک»، وقتی این اتصال در دماهای مختلف قرار می‌گیرد، سیگنال‌های میلی‌ولت متفاوتی تولید می‌شود که می‌تواند به عنوان نشانه‌ای از دما تفسیر شود.

در مقایسه با RTD‌ها، ترموکوپل‌ها به صورت خودکار تغذیه می‌شوند و نیازی به منبع جریان تحریک خارجی ندارند.

ترموکوپل ها معمولاً برای کوره ها، محفظه احتراق توربین گاز، مجاری اگزوز با دمای بالا و غیره استفاده می شوند.

محدودیت اصلی ترموکوپل ها “دقت” است که آن را به بهترین راه حل برای کاربردهای دقیق تبدیل نمی کند.

همچنین، ترموکوپل ها به یک نقطه اندازه گیری مرجع به نام “اتصال سرد” نیاز دارند.

اتصال ترموکوپل اغلب در معرض محیط های شدید قرار می گیرد، در حالی که اتصال سرد اغلب در نزدیکی محل ابزار نصب می شود.

از آنجایی که عملکرد ترموکوپل ها بر اساس اثر ترموکوپل در انواع مختلف رساناها است،

هنگامی که محل ترموکوپل از “ابزار اندازه گیری” دور است (به عنوان مثال فرستنده الکترونیکی)، باید از نوع مناسب هادی ها برای توسعه استفاده شود. . در غیر این صورت، سیگنال کوچک تولید شده توسط ترموکوپل با مقداری خطا در نقطه ای که سیم های ترموکوپل به سیم کشش متصل می شوند، اضافه می شود!

سنسورهای دمای نیمه هادی

“سنسور دمای نیمه هادی” بر اساس این واقعیت است که ولتاژ اتصال در یک ترکیب pn از نیمه هادی ها، مانند اتصال دیود یا پیوند “پایه-امیتر” ترانزیستورهای معمولی، تابعی از دما است.

این فناوری به طور گسترده ای در دستگاه های الکترونیکی و فناوری های آی سی استفاده می شود.

ویژگی خطی، اندازه کوچک و هزینه کم از مزایای این فناوری است، اما باید توجه داشت که محدوده محدود در حدود -۴۰ درجه فارنهایت تا ۲۴۸ درجه فارنهایت آن را برای کاربردهای خاص مناسب می‌کند.

همچنین در کنار مقایسه فنی امتیاز-مالوس، گاهی اوقات هزینه عامل کلیدی در انتخاب دستگاه مناسب است، همانطور که می گویند: “Money Talks!”

 

ترمومتر(دماسنج)

وقتی به دما فکر می کنیم، همه ما می دانیم که چگونه دما را با ترمومتر اندازه گیری کنیم، به خصوص دماسنج شیشه ای پر از جیوه که احتمالاً در دوران دبیرستان از آن استفاده می کردید. با این حال، در حال حاضر انواع مختلفی از دماسنج ها وجود دارد.

دماسنج های دو فلزی نوعی سنسور دمای تماسی هستند که از یک گیج و ساقه متصل تشکیل شده است. نوک حسگر حاوی فنری است که در انتهای حسگر ساقه قرار دارد که به میله ای متصل می شود و به سوزن گیج می رسد. این حرکت در سیم پیچ حسگر هنگام اعمال گرما است که باعث می شود سوزن در گیج حرکت کند و دما را نشان دهد.

ترمومتر بی متال

ترمومترهای پر از گاز و مایع نیز نوعی سنسور دمای تماس هستند که مشابه دماسنج های دو فلزی عمل می کنند. با این حال، آنها یک لامپ دارند که با گاز یا مایع پر شده اند. لامپ در انتهای حسگر کاوشگر قرار دارد که وقتی گرم می شود گاز را منبسط می کند یا مایع را گرم می کند و به میله متصل شده سیگنال می دهد تا سوزن را حرکت دهد و خوانش دما را نشان می دهد.

ترموستات

ترموستات ها نوعی حسگر دمای تماس هستند که شامل یک نوار دو فلزی حاوی دو فلز غیرمشابه (آلومینیوم، نیکل، مس یا تنگستن) است.

این تفاوت در ضریب انبساط خطی دو فلز است که هنگام قرار گرفتن در معرض گرما یک حرکت خمشی مکانیکی ایجاد می کند.

 

چه برنامه هایی از سنسور های دما استفاده می کنند؟

سنسورهای دما برای انواع صنایع برای رفع نیازهای تجاری و مصرف کننده بسیار مفید هستند. در ادامه رایج ترین برنامه هایی که از سنسورهای دما استفاده می کنند، آورده شده است.

کاربردهای پزشکی

سنسورهای دما برای اندازه گیری سریع و دقیق دمای بیمار استفاده می شود. آنها همچنین در دستگاه های تصویربرداری MRI و اسکنرهای سونوگرافی قابل حمل استفاده می شوند.

لوازم برقی در خانه های ما

سنسورهای دما در بسیاری از وسایل برقی استفاده می‌شوند که احتمالاً درباره آن‌ها نمی‌دانستید. آن‌ها در یخچال‌ها برای سرد نگه‌داشتن غذا و نوشیدنی‌ها، در اجاق‌ها برای پخت غذا تا حرارت‌های خاص، و در دستگاه‌های تهویه مطبوع/بخاری‌های دیواری یافت می‌شوند. آنها همچنین در شارژرهای باتری برای جلوگیری از شارژ و شارژ بیش از حد وسایل برقی یافت می شوند.

معدن نفت

سنسورهای دما برای اقدامات ایمن و موثر در صنعت استخراج نفت ضروری هستند. مته‌های نفت مجهز به حسگرهای دمایی داخلی هستند که کارگران را در صورت نیاز به توقف حفاری مطلع می‌کند.

وسايل نقليه

سنسورهای دما در رادیاتورهای داخل خودروهای مختلف یافت می شوند. اگر دمای موتور بیش از حد گرم شود، اینها به شما هشدار می دهند که باعث می شود موتور از حد دمای خود فراتر نرود. آنها همچنین در تنظیمات کنترل آب و هوا مورد استفاده قرار می گیرند و به شما امکان می دهند داخل خودرو را خنک یا گرم کنید.

سیستم های HVAC

سیستم های تهویه مطبوع به سنسورهای دما برای ارائه دمای بهینه برای یک اتاق یا ساختمان خاص نیاز دارند. آنها همچنین برای تشخیص نشتی مفید هستند، مانند واحدهای تهویه مطبوع.

انرژی تجدید پذیر

منابع انرژی تجدیدپذیر برای کارکرد نیاز به تولید موثر انرژی دارند. بنابراین، آنها برای تنظیم و اندازه گیری دما به سنسورهای دما نیاز دارند. سنسورهای دما برای توربین‌های بادی، کاربردهای احتراق زیست توده، پمپ‌های گرمایش خورشیدی و پایش زمین گرمایی مورد نیاز هستند.

صنایع شیمیایی

صنایع شیمیایی از سنسورهای دما با کیفیت بالا و موثر برای اندازه گیری دماهای بسیار بالا در واکنش های شیمیایی استفاده می کنند.

مدارهای مجتمع

مدارهای مجتمع در رایانه‌های رومیزی، لپ‌تاپ‌ها، تلفن‌های همراه و سایر دستگاه‌های الکترونیکی که روزانه استفاده می‌کنیم، یافت می‌شوند. آنها برای جلوگیری از گرمای زیاد، به سنسورهای دمای سیلیکونی یکپارچه نیاز دارند.

 

مقایسه بین سنسور های دما:

مقایسه بین انواع مختلف فناوری‌های حسگر دما یک کار چندوجهی است.

به عنوان مثال، اگر “دقت” به عنوان شاخص عملکرد کلیدی در نظر گرفتید، معمولا RTD ها بهتر از ترموکوپل ها هستند. تقریباً ۱۰ برابر دقیق تر است.

از نقطه نظر “حساسیت”، در حالی که هر دو RTD و ترموکوپل به سرعت به تغییرات دما پاسخ می‌دهند، با هزینه‌های مشابه، ترموکوپل‌ها اغلب سریع‌تر هستند.

اگر باید دمای PCB و/یا IC الکترونیکی را اندازه‌گیری کنم، انواع مبتنی بر سیلیکون بهترین انتخاب‌ها هستند.

همچنین در کنار مقایسه فنی امتیاز-مالوس، گاهی اوقات هزینه عامل کلیدی در انتخاب دستگاه مناسب است، همانطور که می گویند: “Money Talks!”

اگر مایلید مقالات بیشتری در مورد سنسور دما و … دریافت کنید، به بخش وبلاگ پرگاران یه نگاهی بیندازید.

 

 در صورت هرگونه سوال و نظر با مجموعه پرگاران تماس حاصل فرمایید

جهت کسب اطلاعات بیشتر اینجا کلیک کنید.