سنسور دما

سنسور دما

پرکاربردترین نوع سنسورها، سنسور دما است. این نوع سنسور را میتوان در هر کجا در زندگی روزمره مشاهده نمود.

سنسور دما در مدل‌ها، اشکال، عملکرد‌ها و با ویژگیهای متفاوت وجود دارد اما تمام آنها در دو دسته کلی زیر طبقه‌بندی می‌شوند:

سنسور دما تماسی (Contact Temperature Sensor)

این نوع سنسور برای اندازه‌گیری دما باید با جسم مورد نظر در تماس فیزیکی باشد.

این نوع سنسورهای از اصل هدایت گرمایی (Conduction) برای اندازه‌گیری دما استفاده می‌کنند.

این نوع سنسور را میتوان برای اندازه‌گیری دمای جامدات، مایعات یا گازها استفاده نمود.

سنسور دما غیر تماسی (Non-Contact Temperature Sensor)

این نوع سنسورها از اصل همرفت (Convection) و تشعشع (Radiation) برای اندازه‌گیری دما استفاده میکنند.

این نوع سنسور دما از دو روش زیر مقدار تغییرات درجه حرارت اجسام را پایش میکنند:

• دریافت انرژی تشعشعی ساطع شده از اجسام
• دریافت انرژی ارسال شده به صورت پرتو مادون قرمز

تمامی مدلهای سنسور دما تماسی و غیر تماسی را میتوان در سه زیر گروه زیر طبقه بندی کرد:

• سنسورهای (سویچ‌های) الکترومکانیکی
• سنسورهای مقاومتی
• سنسورهای الکترونیکی

ترموستات

ترموستات یک نوع سویچ حرارتی الکترومکانیکی از نوع تماسی است.

ترموستات از دو فلز متفاوت که به صورت نوار بی متال (Bi-Metallic Strip) به یکدیگر متصل شده‌اند، ساخته می‌شود.

فلزات بکار رفته عمدتا نظیر نیکل، مس، تنگستن، آلومینیوم و … می‌باشند.

انتهای این دو نوار فلزی که به یکدیگر متصل شده‌اند در نقطه‌ای محکم (Fix) می‌شوند.

در یک انتهای دیگر این نوار یک کنتاکت که جنس آن عمدتا از نقره است، نصب شده است.

در مقابل این کنتاکت، کنتاکت دیگری نیز به صورت ثابت قرار دارد. در حالت سرد، این دو کنتاکت با یکدیگر در تماس هستند.

این دو فلز دارای ضرایب انبساط طولی متفاوتی هستند و بنابراین در مجاورت حرارت طول یکی بیش از دیگری افزایش می‌یابد.

با افزایش دما، طول این دو نوار فلزی به صورت غیر یکنواخت افزایش پیدا می‌کند.

این اختلاف افزایش طول، باعث ایجاد کمانش در مجموعه می‌شود. با خم شدن این نوار، کنتاکت‌ها از یکدیگر جدا می‌شوند.

بدین ترتیب جریان الکتریکی عبوری از آن قطع خواهد شد.

کنتاکت ترموستات می‌تواند در حالت عادی بشته (N.C.) یا باز (N.O.) باشد.

ترموستات‌ها با دو ساختار متفاوت بی‌متال (Bimetallic) ساخته می‌شوند که عبارتند از:

• Snap-Action
• Creep Action

در نوع Snap-Action که توضیح نحوه عملکرد آن در بالا ارائه گردید، عملکرد به صورت آنی است.

یعنی با رسیدن درجه حرارت به حد مشخصی، بی‌متال بصورت آنی عمل کرده و از حالت وصل به قطع و یا بالعکس تغییر وضعیت می‌دهد.

ترموستات‌های نوع Snap Action عموما در لوازم خانگی زیر بکار می‌روند:

• اجاق‌
• اتو
• آب‌گرمکن
• کتری برقی
• سماور برقی
• و …

یکی از بزرگترین ایرادات این نوع، در زمان استفاده به عنوان سویچ، بازه هیسترزیس نسبتا زیاد آن است.

برای مثال ممکن است که این ترموستات بر روی 20 درجه تنظیم شده باشد اما در 22 درجه قطع و در 18 درجه وصل نماید.

مشاهده می‌شود که این بازه برای کنترل دما، نسبتا زیاد است. به همین دلیل برای کنترل فرآیند‌های دقیق مناسب نیستند.

اما عملکرد نوع Creep Action کندتر از Snap Action بوده و به صورت تدریجی عمل می‌کند. در این نوع ترموستات از حلقه استوانه‌ای یا مخروطی بی‌متال استفاده شده است. با افزایش دما، حلقه‌ها با آرامی باز می‌شوند که این امر باعث عملکرد آرام و تدریجی این نوع بی‌متال می‌شود.

این نوع بی‌متال بیشتر در گیج‌ها و نمایشگرهایی نظیر نمایشگر دمای آب‌گرمکن مورد استفاده قرار می‌گیرند.

در شکل زیر شماتیک ترموستات Snap Action نمایش داده شده است.

ادامه مطلب سنسور دما …

 

سنسور دما نوع ترمیستور (Thermistor)

ترمیستور نوع دیگری از سنسور دما است که نام آن بر گرفته از عبارت زیر است:

THERM_{ally sensitive res}ISTOR

ترمیستور در واقع نوعی مقاومت است که مقدار مقاومت آن نسبت به تغییرات دما، تغییر می‌کند.

ترمیستورها عموما از مواد سرامیکی ساخته می‌شوند که با لایه شیشه‌ای روکش می‌شوند. این مواد عبارتند از:

• اکسید نیکل
• اکسید منگنز
• اکسید کبالت

به دلیل وجود لایه شیشه‌ای، این سنسورها بسیار آسیب‌پذیر هستند.

ترمیستور‌ها نسبت به ترموستات‌ها مزایا زیر را دارند:

• سرعت پاسخگویی بالا
• دقت بالا
• تکرار‌پذیری بالا

ترمیستورها در دو دسته کلی زیر طبقه‌بندی می‌شوند:

• ترمیستورها با ضریب دمایی منفی (Negative Temperature Coefficient – NTC)
• ترمیستورها با ضریب دمایی مثبت (Positive Temperature Coefficient – PTC)

این طبقه‌بندی بر اساس نوع تغییرات مقاومت ترمیستور در قبال افزایش درجه حرارت، ایجاد شده است.

مقاومت ترمیستورهای نوع NTC با افزایش دما کاهش می‌یابد درحالیکه مقاومت نوع PTC با افزایش دما، افزایش می‌یابد.

پرکاربردترین نوع ترمیستور به عنوان سنسور دما، ترمیستور نوع NTC است.

مشخصات اصلی ترمیستورها به شرح زیر می‌باشند:

• مقدار مقاومت آنها در دمای 25 درجه سانتی‌گراد
• ثابت زمانی (Time Constant) که در واقع زمان واکنش آنها نسبت تغییر درجه حرارت است
• نرخ توان (Power Rating) که با توجه به ظرفیت عبور جریان عبوری از آنها مشخص می‌شود

نظیر مقاومت‌ها، مقاومت ترمیستورها هم از چندین مگا اهم تا چند اهم میتواند باشد.

باید توجه شود که مقاومت ترمیستورهایی که برای اندازه‌گیری دما بکار می‌روند در حد کیلو‌اهم است.

ترمیستورها در دسته سنسورهای منفعل (Passive) قرار دارند بنابر‌این به منبع تغذیه خارجی نیاز نخواهند داشت.

ترمیستورها عموما با یک مقاومت بایاس (Biasing Resistor) سری شده و با عبور جریان اندک، خروجی آنها به صورت ولتاژ قابل اندازه‌گیری خواهد بود.

در مثال زیر از یک ترمیستور با مشخصات زیر استفاده شده است:

• مقاومت در دمای 25 درجه سانتی‌گراد: 10 کیلواهم
• مقاومت در دمای 100 درجه سانتی‌گراد: 100 اهم

ضمنا این ترمیستور با یک عدد مقاومت 1 کیلواهم سری و تحت ولتاژ 12 ولت مستقیم قرار داده شده است.

حال ولتاژ خروجی (V_OUT) در دمای 25 و 100 درجه سانتی‌گراد به روش زیر محاسبه می‌شود:

همانطور که مشاهده می‌شود، ولتاژ خروجی تابعی از مقدار مقاومت ثابت خواهد بود.

حال چنانچه این مقاومت با یک پتانسیومتر جایگزین گردد، امکان تصحیح مقدار ولتاژ خروجی در هر دما امکان‌پذیر خواهد بود.

برای مثال می‌توان ولتاژ 5 ولت در دمای 60 درجه را به عنوان نقطه کالیبراسیون سنسور تنظیم نمود.

بدیهی است مقدار ولتاژ خروجی در حد فاصل بازه تعیین شده (مثلا 25 تا 100 درجه) با تغییر دما، تغییر خواهد کرد.

به خاطر داشته باشید که مقاومت ترمیستورها نسبت به تغییرات دما خطی نیست و تابعی نمایی دارد.

به همین دلیل تمامی آنها ثابت دمایی بتا (Beta Temperature Constant) دارند که از آن برای محاسبه مقاومت در دمای خاص استفاده می‌شود.

اما در حالت استفاده به صورت سری با مقاومت یا پل وتستون، مقدار ولتاژ خروجی نسبت به تغییرات دما، خطی است.

ادامه مطلب سنسور دما …

سنسور دما مقاومتی (Resistive Temperature Detector – RTD)

نوع دیگر سنسورهای دما مقاومتی، RTD می‌باشند که دارای دقت بسیار بالایی هستند. در ساختار این سنسورها سیم‌پیچ‌هایی از فلزاتی نظیر پلاتین، مس یا نیکل با خلوص بالا، وجود دارد.

نوع دیگری از RTD، از فیلم نازکی از پلاتین که بر روی یک سطح سرامیکی سفید قرار گرفته، ساخته می‌شود.نظیر ترمیستور نوع PTC، مقاومت RTD نیز با افزایش مقدار دما افزایش می‌یابد.

اما بر خلاف ترمیستور،خروجی RTD بسیار خطی‌ بوده اندازه‌گیری دما را با دقتی بسیار بالا انجام می‌دهد. نقطه ضعف RTD، حساسیت حرارتی بسیار ضعیف (Very Poor Thermal Sensitivity) آنها است.

یعنی تغییرات دما، تغییرات اندکی، مثلا در حدود 1 اهم بر یک درجه سانتی‌گراد، را در مقاومت خروجی خواهد داشت. معروفترین نوع RTD، از پلاتین ساخته میشود که به نام Platinum Resistance Thermometer – PRT شناخته می‌شود.

پرکاربردترین نوع PRT با عنوان Pt100 شناخته می‌شود که مقاومت آن در 0 درجه سانتی گراد معادل 100 اهم است. رنج دمای معمول این سنسورها از منفی 200 تا 500 درجه سانتی‌گراد و با دقت 0.03± درجه سانتی گراد  است.

به این نوع سنسورهای RTD نوع استاندارد SPRT گفته می‌شود. (Standard Platinum Resistance Thermometers)

نوع دیگر PRT نیز Pt1000 است که مقاومت آن 10 برابر نوع Pt100 در دمای مشابه می‌باشد.

بالاترین دقت PRT ها، متعلق به نوع UPRT است. (Ultra-Precise Platinum Resistance Thermometers)

رنج دمای قابل اندازه‌گیری توسط این نوع سنسور از منفی 200 تا 1000 درجه سانتی‌گراد با دقت 0.001± C°  است.

بزرگترین ایراد RTD های ساخته شده از جنس پلاتین، قیمت بالای آنها می‌باشد.

بیشتر RTD های ساخته شده از جنس پلاتین، با 3 ضریب دمایی (Temperature Coefficient a) زیر به بازار عرضه می‌شوند:

• 00385 C°
• 00390 C°
• 00392 C°

جنس RTD های متداول و پرکاربرد دیگر میتواند یکی از موارد زیر باشد:

• CU
• Ni-Fe
• Ni

محاسبات تغییرات مقاومت نسبت به تغییرات دما

مطابق استاندارد IEC751 / ITS-90 تغییرات مقاومت نسبت به دما برای سنسور Pt100 از رابطه زیر محاسبه می‌شود:

برای محدوده دمای منفی 200 تا صفر درجه سانتی‌گراد

R_t = R₀ (1 + At + Bt2 + C ( t – 100) t³)

برای محدوده دمای صفر تا 850 درجه سانتی‌گراد

R_t = R₀ (1 + At + Bt²)

ضریب حرارتی (Temperature Coefficient a) نیز از رابطه زیر محاسبه می‌شود:

a = (R₁₀₀ – R₀) / (100 * R₀)

پارامترهای بکار رفته در فرمولهای بالا به شرح زیر می‌باشند:

R_t : مقاومت خروجی RTD در دما t

R₀ : مقاومت خروجی RTD در دمای صفر درجه سانتی‌گراد

R₁₀₀ : مقاومت خروجی RTD در دمای 100 درجه سانتی‌گراد

A :  3.9083 * 10^-3 °C^-1

B : -5.755 * 10^-7 °C^-2

C : -4.183 * 10^-12 °C^-4

t :  دمای مورد نظر برای تعیین مقدار مقاومت خروجی (°C)

تلرانس

تلرانس سنسورهای نوع Pt100 و Pt1000 در دو گروه زیر طبقه بندی می‌شوند:

کلاس تلرانسی	مقدار تلرانس (°C)
A	0.15 + 0.002 t
B	0.3 + 0.005 t

در جدول بالا   t  معرف مقدار دما بوده و باید بدون در نظر گرفتن علامت آن (منفی یا مثبت) وارد شود.

ادامه مطلب سنسور دما …

جدول تلرانس‌های محاسبه شده دما و مقاومت

تلرانس‌های محاسباتی برای دما و مقاومت خروجی RTD در جدول زیر آمده است:

دما (درجه سانتی گراد)	تلرانس
	Class A		Class B
	C° ±	Ω ±	C° ±	Ω ±
200-	0.55	0.24	1.3	0.56
100-	0.35	0.14	0.8	0.32
0	0.15	0.06	0.3	0.12
100	0.35	0.13	0.8	0.30
200	0.55	0.20	1.3	0.48
300	0.75	0.27	1.8	0.64
400	0.95	0.33	2.3	0.79
500	1.15	0.38	2.8	0.93
600	1.35	0.43	3.3	1.06
650	1.45	0.46	3.6	1.13
700	–	–	3.8	1.17
800	–	–	4.3	1.28
850	–	–	4.6	1.34

از آنجا که RTD سنسور مقاومتی است، باید مقداری جریان از آن عبور داده شود و سپس تغییرات ولتاژ اندازه‌گیری شود. حال به دلیل عبور جریان از RTD، مقداری گرما درون آن بوجود می‌آید که باعث ایجاد خطا در اندازه‎‌گیری می‌شود. به منظور جلوگیری از بروز خطای اندازه‌گیری، عموما RTD در یک مدار پل وتستون قرار داده می‌شود. سنسورهای RTD میتوانند در ساختار 2 سیم، 3 سیم و 4 سیم و در مدار پل وتستون تولید شوند.

اکثر کنترلرهای دما، دارای ورودی RTD میباشند. کنترلرهای شرکت TemcoLine کره جنوبی، دارای ورودی و خروجی مولتی می‌باشند.

ادامه مطلب سنسور دما …

ساختار RTD

حال به بررسی ساختارهای مختلف RTD پرداخته می‌شود:

• نوع دو سیم

ساده‌ترین ساختار مربوط به نوع دو سیم است. این نوع مناسب کارهایی است که نیاز به دقت بالایی ندارند. هر چه طول سیم این نوع سنسور افزایش یابد، مقاومت سیم‌ها به مقاومت RTD افزوده شده و باعث خطا می‌شوند. طول سیم این نوع سنسور را میتوان تا 100 متر افزایش داد.

با توجه به شکل 3-A ، و برای دستیابی به ساختار پل به صورت بالانس، مقاومتها به صورت زیر انتخاب میشوند:

مقدار مقاومتهای R1، R2 و R3 به صورت برابر هم و معادل نصف مقاومت رنج RTD انتخاب می‌شوند. برای مثال، برای اندازه‌گیری دما در بازه 0 تا 100، مقاومت RTD باید 100 ~ 138 Ω باشد. بنابراین مقدار مقاومتهای R1 تا R3، معادل 120 اهم در نظر گرفته خواهد شد. باید توجه شود که مقدار مقاومتها با توجه به رنج کاری RTD و در زمان ساخت آن تعیین می‌شود. L1 و L2 معرف مقاومت سیم‌های داخلی RTD و V_OUT معرف محل خروجی آن است.

• نوع سه سیم

این نوع دارای دقت بالاتری نسبت به نوع دو سیم است اما مقدار مقاومتها دقیقا نظیر نوع دوسیم انتخاب می‌شوند. نوع سیم‌بندی این نوع سنسور در تصویر 3-B آمده است.

• نوع چهار سیم

بالاترین دقت در اندازه‌گیری دما مربوط به RTD چهار سیم است که در آن هیچ افت ولتاژی وجود ندارد. شماتیک سیم‌بندی این نوع سنسور در تصویر 3-C نمایش داده شده است.

ادامه مطلب سنسور دما …

 

سنسور دما نوع ترموکوپل (Thermocouple)

ترموکوپل نوعی سنسور دما است که بیشترین میزان مصرف را در کاربردهای مختلف دارد.

مهمترین مزایای ترموکوپل‌ها عبارتند از:

• سادگی ساخت
• سهولت استفاده
• سرعت پاسخگویی بسیار بالا نسبت به تغییرات دما
• ابعاد کوچک
• بازه اندازه‌گیری وسیع دما، از منفی 200 تا 2000 درجه سانتی‌گراد

تنها ایراد این نوع سنسور دما در این است که نمیتوان از آنها دقت اندازه‌گیری کمتر از 1 درجه سانتی‌گراد را داشت. ترموکوپل‌ها در واقع نوعی سنسور دما ترموالکتریک هستند که با جوش دادن دو فلز متفاوت در یک نقطه، ساخته می‌شوند. یکی از فلزات بکار رفته در ترموکوپل‌ها، مس، آهن یا کنستانتن (آلیاژ مس و نیکل) می‌باشد.

نقطه اتصال دو سیم فلزی متفاوت به یکدیگر، نقطه اندازه‌گیری یا Measuring (Hot) Junction نامیده می‌شود.
نقطه انتهایی دیگر یکی از سیم‌ها، نقطه مرجع یا Reference (Cold) Junction  نامیده می‌شود.

با قرار گرفتن Hot Junction بر روی نقطه اندازه‌گیری دما و ایجاد تغییرات دمای آن با Cold Junction ولتاژی بین آنها ایجاد می‌شود. این ولتاژ با نام Seebeck Effect شناخته شده و در حد چند میلی ولت است. چنانچه نقطه مرجع و نقطه اندازه‌گیری هم دما باشند، هیچ ولتاژی در خروجی ایجاد نخواهد شد. با افزایش اختلاف دما بین این دو نقطه، مقدار ولتاژ خروجی نیز افزایش یا کاهش پیدا میکند.

شماتیک ساختار ترموکوپل در شکل زیر نمایش داده شده است.

ترموکوپل‌ها از فلزات مختلف و با رنج‌های دمایی متفاوت ساخته می‌شوند. پس از جوش دادن یا متصل کردن دو فلز متفاوت، آنها را به همراه مواد عایق درون یک غلاف قرار میدهند. جنس مواد عایق و جنس غلاف، بسته به بازه دمای کاری ترموکوپل متغیر خواهد بود. غلاف که به ترموول Thermo-Well معروف است، عمدتا از جنس فلز یا سرامیک است.

در شکل بعد، مشخصات انواع پرکاربرد ترموکوپل نمایش داده شده است:

به خاطر داشته باشید که برای هر نوع ترموکوپل باید از سیم مخصوص همان نوع ترموکوپل استفاده نمود.

امید است مقاله سنسور دما مورد کاربرد شما دوست عزیز واقع شده باشد

در صورت تمایل به مطالعه مطالب مشابه ” سنسور دما ” به بخش مطالب آموزشی وب سایت یا کانال اینستاگرام شرکت به آدرس Instagram.com/AltonSegal مراجعه فرمایید