سنسور دما، کاربرد و انواع آنها

سنسور دما، کاربرد و انواع آنها از قدیم همواره دمای محیط برای آدمی از اهمیت ویژه ای برخوردار بوده.

در این مقاله سعی داریم تا یکی از مهمترین لوازم اندازه گیری و ابزار دقیق را مورد بررسی قرار دهیم.

و به طور کامل سنسور دما، کاربرد و انواع آنها مورد بررسی قرار گیرد.

سنسور دما، کاربرد و انواع آنها چیست؟

سنسور (temperature sensor) به صورت کلی در زبان لاتین به معنی حسگر معنی شده است و هر دستگاهی که این عمل را انجام بدهد .

(عمل سنس کردن) سنسور اطلاق می شود.

یکی از کمیت های فیزیکی دما (حرارت) نامیده می شود بیشتر جایگاه آن در علم الکترونیک می باشد که توسط انواع سنسورها اندازه گیری و کنترل می شود.

اندازه گیری دقیق دما به طور کلی آسان نمی باشد.

البته برای اندازه گیری دقیق دما به دقت های بالای ۰.۵ درجه به پارامترهای زیادی باید توجه نمود .

لازم به ذکر است که در اینجا اشاره ای هم به سنسور دما، کاربرد و انواع آنها کنیم :

سنسورهای دیجیتال

سنسورهای ترموکوپل

سنسورهای مقاومت فلزی ( RTD )

ترمیستور

سنسورهای مدار مجتمع

سنسورهای پایروالکتریک

سنسورهای تشخیص انرژی تابشی

سنسورهای پیشرفته مثل الکتراسونیک – فیبر نوری و سنسورهای MEMS

که در مورد آخر بدلیل پیچیدگی مدارات و بالا بودن هزینه های آنها کمتر مورد استفاده قرار می گیرند.

اما لازم به ذکر می باشد که به دلیل دقت بالا این مدل سنسور دما برای فعالیت های صنعتی که باید بدون تماس صورت گیرد بسیار مفید است.

اجسامی که دمای بالاتری دارند بنا به دلایل ترمودینامیکی انرژی از خود تابش خواهند کرد.

اگر این انرژی توسط وسیله ای دریافت شود و این وسیله سازوکاری برای اندازه گیری آن داشته باشد، در این صورت به عنوان یک دماسنج در مقادیر زیاد یا هردمایی عمل خواهد کرد.

وسیله اندازه گیری که به این صورت دما را اندازه گیری می کند دماسنج تابشی نام دارد.

دما سنج های تابشی به دلیل دقت زیاد در اندازه گیری به کار نمی روند بلکه به خاطر سهولت های استفاده و موارد خاص به کار گرفته می شوند.

این دما سنج ها به شیوه غیر تماسی عمل اندازه گیری دما را انجام می دهند.

موارد زیر را به عنوان بخشی از کاربری های این دماسنج ها می توان نام برد :

۱- برای اندازه گیری دماهایی که بالاتر از گستره عملکردی ترموکوپل ها قرار گرفته اند

۲- در محیط هایی که ترموکوپل ها آلوده می شوند یا محدودیتی برای کاربری آنها ایجاد شده باشد

۳- برای اندازه گیری دمای هدف های متحرک

۴- برای اندازه گیری دمای هدف هایی که به آسانی در دسترس نیستند (مانند داخل کوره ها)

۵- برای اندازه گیری دمای هدف هایی که در تماس با ترموکوپل ها یا دما سنج های مقاومتی صدمه می بیند

۶- برای اندازه گیری میانگین دمای سطوح بزرگ

۷- برای اندازه گیری و آشکار سازی تغییر دمای موقعیت که باید دمای ثابت و یا معین داشته باشند (عیب یابی)

رساناهایی که مقاومت آنها با دما تغییر می کند ترمورزیستانس نامیده می شوند.

موادی که در رابطه بین دما و مقاومت آنها یک رابطه قابل حصول و پایدار باشد عبارتند : از مس، طلا، نیکل، پلاتین، و نقره.

مقاومت ویژه الکتریکی مس، طلا و نقره ذاتا کم است و این موجب شده است که برای هدف های دماسنجی کمتر مورد استفاده قرارگیرد.

حسگر : مهمترین قسمت دماسنج مقاومتی به شمار می رود که از پلاتین با شکل ها مختلفی از جمله پلاتین سیمی شکلی که به صورت یک مارپیچ درآمده باشد، می سازند.

حسگر در داخل یک غلاف حفاظت کننده قرار داده می شود .

سیم های اتصال : دماسنج های مقاومتی پلاتینی به صورت ۲ سیمی ، ۳ سیمی یا چهار سیمی ساخته می شوند .

عایق سرامیکی : مدارهای الکتریکی و سیم های اتصال توسط عایق های سرامیکی از غلاف حفاظت کننده جدا می شوند.

پودر پرکننده : از پودر بسیار ریز اکسید آلومینیوم با یک سازوکار مرتعش کننده در فضای داخل هر نوع منفذی را پر می کنند.

بدین وسیله حسگر در برابر ارتعاش های فرایندی ایستادگی می کند .

غلاف حفاظت کننده : غلاف حفاظت کننده جهت حفاظت دماسنج مقاومتی در برابر فرآیند و جدا نمودن حسگر از آن طراحی شده و مورد استفاده قرار می گیرد.

انتخاب صحیح ماده و ضخامت آن از شرایط مهم غلاف هستند.

در برخی کاربری ها غلاف همراه با یک چاهک گرمایی اضافی مورد استفاده قرار میگیرد.

سر خروجی : در قسمت سر خروجی، سر سیم ها از طریق یک ماده سرامیکی بیرون آمده و جهت ارسال سیگنال استفاده می شود.

در این قسمت می توان ترانسمیترهای مناسب را نیز قرار داد که به قطعه سرامیکی نصب می شود.

در دماسنج های مقاومتی اندازه گیری دما بر اساس تغییر مقاومت الکتریکی حسگر آن انجام می شود.

بنابراین در یک لحظه که تعادل ترمودینامیکی برقرار شده باشد باید مقاومت بتواند اندازه گیری شود.

برای اندازه گیری صحیح مقاومت دو روش اندازه گیری زیر متداول است :

اندازه گیری مقاومت با استفاده از پل های اندازه گیری (روش صفر)

این روش به طور گسترده ای در آزمایشگاه ها مورد استفاده قرار می گیرد و عناصر مقاومتی پل آن از مقاومت های دهگان یا در جریان AC  از اندوکتانسهای مناسب انتخاب می شود.

تغییرات مقاومت پلاتین (حسگر) در این پلها به آسانی قابل مشاهده است.

در این پل نیازی به اندازه گیری دقیق ولتاژها وجود ندارد و جریان اعمال شده می تواند تغییر کند.

به هنگام اندازه گیری دما با یک دماسنج مقاومتی، عوامل مختلفی که در ساختمان فیزیکی و در مدار الکتریکی آن وجود ندارد و در مقدار دما تاثیر گذار هستند.

۱- مقاومت ناشی از عایق بندی ناکافی

۲- اثر خود گرمایشی

۳- ولتاژهای گرمایی

ترمیستور : ترمیستور عبارت است از یک مقاومت حساس به گرما که از ترکیبات نیمرسانای اکسیدهای فلزی ساخته شده است.

مقاومت ترمیستورها به صورت توانی برحسب دما تغییر می کند.

گستره کاری این حسگرها از ۵۰- تا ۱۵۰+ درجه سانتیگراد است و معمولا در ابزارهای تنظیم دما مورد استفاده قرار می گیرند.

در واقع یک ترمیستور حسگر دماسنج هایی است که از منگنز، نیکل و اکسید کبالت ساخته شده .

برخلاف حسگرهای رسانا که ضریب دمایی آنها مثبت و کوچک است، ضریب دمایی ترمیستور منفی و بزرگ است.