سنسور دما چیست؟
یکی از مهم‌ترین پارامترهایی که می‌تواند بر کیفیت زندگی ما و همچنین سلامت سیستم‌ها و فرایندهای تولیدی و صنعتی مختلف اثر بگذارد، دما است. به همین منظور جهت تعیین یک سری محدودیت‌ها در محیط‌های صنعتی یا برای کارکرد بهتری لوازم خانگی و دستگاه‌های مختلف، سنجش و اندازه‌گیری دما یک امر ضروری به حساب می‌آید. به منظور اندازه‌گیری دما در این شرایط تجهیزاتی به نام سنسور دما طراحی شده است که در انواع مختلفی وجود دارند. هر یک از انواع سنسورهای دما دارای ویژگی‌ها و قابلیت‌های خاص خود بوده و به همین دلیل در موارد مختلف کاربرد دارند. در این مقاله قصد داریم با انواع سنسور دما مانند ترموکوپل، ترمیستور و RTD و تفاوت آنها آشنا شده و کاربردها و ویژگی‌های هر یک را مورد بررسی قرار دهیم.
معرفی سنسور دما
سنسور دما یکی از تجهیزاتی است که به منظور اندازه‌گیری و سنجش دما مورد استفاده قرار می‌گیرد. اندازه‌گیری دما می‌تواند سنجش دمای هوا، دمای مایع یا دمای یک ماده جامد باشد. سنسورهای دما در انواع مختلفی در دسترس هستند که هر کدام بر اساس فناوری و اصول متفاوت طراحی و ساخته شده‌اند که می‌توان از آنها به منظور اندازه‌گیری دما در شرایط مختلف استفاده کرد.
سنسور دما به منظور اندازه‌گیری و سنجش مقدار انرژی تولید شده به صورت گرما یا سرما توسط اجسام یا سیستم‌های مختلف استفاده می‌شود. هر یک از انواع سنسور دما این قابلیت را دارند که هر گونه تغییر در اندازه انرژی یاد شده را تشخیص داده و نتیجه را به صورت دیجیتال یا آنالوگ نمایش دهد.
انواع سنسور دما براساس فناوری ساخت
سنسورهای دما که وظیفه تعیین حرارت ماده‌های مختلف را در سیستم‌ها بر عهده دارند، از نظر فناوری ساخت در انواع مختلفی وجود دارند که می‌توان به ترموکوپل، ترمیستور، RTDو ترموستات اشاره کرد. در زیر به معرفی و بررسی ویژگی‌های هر یک پرداخته‌ایم.
ترموکوپل
یکی از انواع سنسور دما به حساب می‌آید که در ساختار خود دارای دو سیم فلزی غیر هم‌جنس بوده که از یک طرف به یکدیگر متصل شده‌اند. انتهای دیگر این سیم‌های فلزی به دماسنج متصل شده است که می‌تواند اندازه‌گیری و سنجش دما را در دامنه وسیعی انجام دهد. در ساختار ترموکوپل معمولا از دو فلز غیر هم‌جنس مس و کنستانتان استفاده می‌شود. ساختار ترموکوپل به این شکل است که یکی از اتصالات در دمای مشخصی نگهداری شده که به اتصال سرد معروف بوده و یکی دیگر از اتصالات به عنوان محل اندازه‌گیری است که با نام اتصال گرم شناخته می‌شود.
از جمله مزایای استفاده از ترموکوپل به عنوان سنسور دما می‌توان موارد زیر را نام برد:
-
قیمت مناسب و مقرون به صرفه
-
سایز و اندازه کوچک
-
مقاومت بالا
-
محدوده اندازه‌گیری گسترده
-
پایداری قابل قبول و مناسب
-
دقت بالا در سنجش تغییرات دمایی زیاد
-
پاسخ‌دهی سریع
ترموکوپل‌ها دارای معایبی نیز هستند که در زیر به آنها اشاره می‌کنیم:
-
خروجی ضعیف در حد میلی‌ولت
-
دقت محدود در تغییرات دمایی پایین
-
حساس به نویز الکتریکی
-
غیر خطی
-
فرایند پیچیده برای تبدیل emfبه دما
ترمیستور
ترمیستور یا مقاومت حرارتی (Thermal Resistor) یک قطعه پسیو محسوب می‌شود که مقاومت آن در شرایط تغییر دما در یک سیستم دستخوش تغییر می‌شود. در ساخت و تولید ترمیستور معمولا از مواد نیمه‌رسانا استفاده می‌شود. مقاوت الکتریکی در این قطعه با تغییرات دمایی به صورت غیر خطی تغییر می‌کند.
ترمیستور یکی از انواع سنسور دما است که اندازه‌گیری دقیق در حد 0.05±درجه سانتیگراد تا 1.5±درجه سانتیگراد دارد اما در محدوده دمایی محدودی کار می‌کند. این محدوده دمایی برای اکثر مدل‌های ترمیستور بین 0 تا 100 درجه سانتیگراد است. مواد اولیه‌ای که در ساخت و تولید ترمیستور بکار می‌رود بر مقاومت آن مؤثر است که به همن دلیل معمولا از سرامیک و پلیمر در تولید آنها استفاده می‌شود.
از مهم‌ترین مزایای استفاده از ترمیستور به عنوان سنسور دما می‌توان موارد زیر را نام برد:
-
اندازه و ابعاد کوچک
-
قیمت ارزان و مقرون به صرفه
-
واکنش سریع و مناسب در برابر کوچک‌ترین تغییرات دمایی
اما این نوع از سنسورهای دما با تمام مزایایی که دارند، از معایبی نیز برخوردار هستند که در زیر به آنها اشاره می‌کنیم:
-
مقاومت غیرخطی نسبت به ویژگی‌های دمایی
-
عدم تحمل تغییرات دمایی بالا
-
نیاز به خطوط برق با محافظت قوی
-
نیاز به جریان تحریک یا منبع ولتاژ
از جمله مهم‌ترین کاربردهای ترمیستورها به عنوان سنسور دما می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
-
استفادها به عنوان سنسور دما در دماسنج‌های دیجیتال یا ترموستات‌ها به دلیل اندازه و ابعاد کوچک
-
استفاده از صنعت خودروسازی به عنوان اندازه‌گیری دمای خنک مایع خنک کننده، روغن و غیره در انواع خودرو
-
استفاده به منظور کاهش یا افزایش مقدار حرارت مورد نیاز در لوازم خانگی مختلف
-
استفاده به منظور محافظت از مدارها در برابر اضافه بار
-
استفاده در باتری‌های شارژی و مدارهای دستگاه‌های الکترونیکی
-
استفاده به منظور مانیتورینگ دما در سیستم‌های هواشناسی و همچنین تجهیزات و لوازم خانگی مختلف
RTD
آشکارسازهای دمایی مقاومتی (Resistance Temperature Detectors) یکی از انواع سنسور دما به حساب می‌آیند که مقاومت آنها در اثر تغییرات دمایی تغییر می‌کند. دقت بالا، قابلیت تکرارپذیری و پایداری این سنسور دما باعث شده که بتوان از آن در بسیاری از دماهای کاری استفاده کرد. RTDبر اساس یک اصل مهم کار می‌کند؛ افزایش دمای فلز بکار رفته در سنسور مقاومت در برابر جریان برق را افزایش می‌دهد. زمانی که جریان الکتریکی از سنسور عبور داده می‌شود، می‌توان از عنصر مقاومت به منظور اندازه‌گیری مقاومت جریان عبوری استفاده کرد. زمانی که دمای عنصر مقاومت افزایش پیدا کند، مقاومت الکتریکی نیز افزایش پیدا کرده که با اندازه‌گیری آن بر حسب اهم می‌توان بر اساس مشخصات عنصر آن را به دما تبدیل کرد.
از مهم‌ترین مزایای استفاده از RTD به عنوان سنسور دما می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
-
قابلیت استفاده در صنایع مختلف
-
دقت بسیار بالا در اندازه‌گیری دما
-
پایداری و استواری بالا
-
ثبات طولانی مدت
-
قابلیت تکرارپذیری زیاد
-
مناسب برای استفاده در محیط‌های خشن
-
دامنه دمایی بالا
بررسی تفاوت ترموکوپل و ترمیستور
ترمیستور و ترموکوپل هر دو به عنوان یک سنسور دما شناخته می‌شوند. ترمیستور در وسایل و تجهیزات کوچک به منظور اندازه‌گیری دما و ترموکوپل نیز به منظور تشخیص درجه حرارت بالا مورد استفاده قرار می‌گیرد. این دو سنسور از جنبه‌های مختلف تفاوت‌هایی با یکدیگر دارند که باعث تمایز در کاربردهای آنها شده است. از مهم‌ترین موارد تفاوت ترمیستور و ترموکوپل می‌توان به نکات زیر اشاره کرد:
-
ترموکوپل یک ابزار سنجش دما اما ترمیستور نوعی مقاومت حرارتی است
-
در ساخت ترموکوپل از فلز یا آلیاژ فلزات استفاده می‌شود در حالی که در ساخت ترمستور از نیمه هادی‌ها یا اکسیدهای منیزیم، نیکل یا کبالت استفاده می‌شود.
-
از نظر دقت در اندازه‌گیری ترموکوپل عملکرد بهتری نسبت به ترمیستور دارد
-
محدوده منفی 50 تا 250 درجه سانتیگراد محدوده دمایی کاری ترمیستور و منفی 200 تا 1200 درجه سانتیگراد محدوده دمایی کاری ترموکوپل است.
-
پاسخ ترمیستور نسبت به ترموکوپل سریع‌تر است.
-
ترموکوپل در مقایسه با ترمیستور از نظر قیمت ارزان‌تر است که دلیل آن نیاز ترمیستور به منبع تغذیه خارجی است.
-
از ترموکوپل معمولا در صنایع بزرگ و خطوط تولید و فرایندهای مختلف استفاده می‌شود در حالی که ترمیستور در لوازم خانگی مختلف مانند یخچال و غیره مورد استفاده قرار می‌گیرد.
بررسی تفاوت ترمیستور و RTD
ترمیستورها از نظر اندازه‌گیری دما مانند سنسور دمای RTD عمل می‌کنند. هر دو این سنسورها، مقاومت حساس به دما به حساب می‌آیند و یکی از مهم‌ترین تفاوت‌های آنها نوع مقاومت به کار رفته در ساختار است. معمولا برای ساخت RTD از فلزات خالص مانند پلاتین و نیکل و غره استفاده می‌شود که ضریب دمایی مثبت دارند و در اثر افزایش دما شاهد افزایش مقاومت در آنها هستیم. به همین دلیل می‌توان از RTD به منظور اندازه‌گیری تغییرات دمایی در مقیاس بزرگ استفاده کرد.
انواع سنسور دما از نظر نوع اندازه‌گیری
سنسورهای دما از نظر نوع و روش اندازه‌گیری به دو دسته اصلی سنسورهای تماسی و غیر تماسی تقسیم‌بندی می‌شوند که از ویژگی‌ها و خصوصیات منحصر به فردی برخوردار هستند:
-
سنسور دما تماسی (Contact Temperature Sensor): این سنسورها برای اندازه‌گیری و سنجش دما باید تماس فیزیکی با اجسام داشته باشند. در این سنسورها به منظور مشاهده تغییر در دما، تغییر در هدایت گرمایی پایش می‌شود. از این نوع سنسورها می‌توان برای نوع از ماده به شکل جامد، مایع و گاز که محدودی حرارتی زیاد دارند استفاده کرد.
-
سنسور دما غیرتماسی (Non-Contact Temperature Sensor): این نوع از سنسورهای دما بر خلاف سنسورهای تماسی برای اندازه‌گیری و سنجش دما نیاز به تماس مستقیم با ماده ندارند و با اندازه‌گیری حرارت تابشی ماده، دمای آن را اندازه‌گیری می‌کنند. از این سنسورها به منظور اندازه‌گیری دمای انواع ماده از فاصله دور در محیط‌های پرخطر استفاده می‌شود.
جمع‌بندی
دما یکی از پارامترهای مهم به حساب می‌آید که در برخی از فرایندهای صنعتی و تولیدی و همچنین برخی از تجهیزات و لوازم به منظور عملکرد صحیح نیاز به اندازه‌گیری دارد. سنسور دما ابزاری است که در انواع مختلف به منظور اندازه‌گیری دما و تغییرات آن در سیستم‌های مختلف طراحی شده و مورد استفاده قرار می‌گیرد. این سنسورها که در انواع مختلفی وجود دارند با توجه به ساختار و نوع فناوری خود می‌توانند دما را در محدوده‌های مختلف اندازه‌گیری کرده و خروجی آن را به صورت آنالوگ یا دیجیتال نمایش دهند.