انواع سنسور دما

سنسور دما

سنسور دما نوعی سنسور است که دما یا گرما را اندازه‌گیری و آشکارسازی می‌کند. سنسورهای دما در انواع مختلفی وجود دارند: از قطعات ترموستاتیک ساده خاموش/روشن یک آب‌گرم‌کن ساده خانگی گرفته تا نیمه‌هادی‌های بسیار حساس که فرایند کوره‌های یک کارخانه را کنترل می‌کنند.

انواع سنسور دما

سنسورهای دما انواع مختلفی دارند که هرکدام، بسته به کاربردشان، مشخصه‌های خاص خود رادارند. این سنسورها از دو نوع اصلی تشکیل می‌شوند:

•         سنسورهای تماسی: این نوع سنسورهای دما باید با جسم موردنظر، که قرار است دمای آن اندازه‌گیری شود، تماس فیزیکی مستقیم داشته باشند و از هدایت برای پایش تغییرات دما استفاده می‌کنند.
•         سنسورهای غیر تماسی: در این سنسورها از همرفت و تابش برای پایش تغییرات دما استفاده می‌شود. سنسورهای غیر تماسی را می‌توان برای آشکارسازی مایعات و گازهایی به کاربرد که هنگام تغییر دما (گرم یا سرد شدن) انرژی تابشی ساطع می‌کنند.

سنسورها را، اعم از تماسی و غیر تماسی، می‌توان در دسته‌های زیر تقسیم‌بندی کرد:

•         سنسورهای الکترومکانیکی
•         سنسورهای مقاومتی
•         سنسورهای الکترونیکی

ترموستات

ترموستات (Thermostat) یک سنسور یا سوئیچ دمای الکترومکانیکی جالب است و اساساً از دو فلز مختلف مانند نیکل، مس، تنگستن یا آلومینیوم تشکیل می‌شود که به یکدیگر متصل شده‌اند و یک نوار دوفلزی را تشکیل می‌دهند. با در معرض گرما قرار گرفتن نوار، به دلیل مقادیر متفاوت میزان انبساط خطی این دو فلز غیرمشابه، حرکت خمشی مکانیکی در فلزها رخ خواهد داد.

از نوار دوفلزی به‌تنهایی می‌توان به‌عنوان یک سوئیچ یا کلید الکتریکی یا یک راه‌حل مکانیکی برای عملکرد سوئیچ الکتریکی در کنترل ترموستاتیک یا کنترل المنت‌های گرمایش آب در بویلرها، کوره‌ها، تانکرهای ذخیره آب گرم و نیز سیستم خنک‌کننده رادیاتور خودرو استفاده کرد.

ترموستات از دو فلز متفاوت (ازنظر مشخصات گرمایی) تشکیل‌شده است که به‌صورت پشت‌به‌پشت به یکدیگر متصل شده‌اند. وقتی هوا سرد باشد، کنتاکت‌ها بسته هستند و جریان از ترموستات عبور می‌کند. اما هنگامی‌که هوا گرم شود، یکی از فلزها نسبت به فلز دیگر منبسط‌تر شده و نوار متشکل از دو فلز به سمت بالا (یا پایین) خم می‌شود و با باز شدن کنتاکت‌ها از عبور جریان از ترموستات جلوگیری می‌شود.

با توجه به نوع حرکت نواری که در معرض تغییرات دمایی قرار می‌گیرد، دو نوع عملکرد وجود دارد. یکی نوع «عملکرد ضربه‌ای» (Snap-action) است که به‌صورت لحظه‌ای در یک نقطه دمایی خاص عمل روشن یا خاموش را انجام می‌دهد. شکل زیر یک ترموستات خاموش/روشن یا ON/OFF را نشان می‌دهد.

ترمیستور

ترمیستور (Thermistor) نوع دیگری از سنسورهای دما است و همان‌طور که از نامش برمی‌آید، ترکیبی از THERM و ISTOR است که اولی بر حساس بودن آن به دما و دومی بر مقاومتی بودنش دلالت دارد. یک ترمیستور نوع خاصی مقاومت است که وقتی در معرض تغییرات دما قرار می‌گیرد، مقدار مقاومت فیزیکی آن تغییر می‌کند.

ترمیستورها معمولاً‌ از مواد سرامیکی مانند اکسید‌های نیکل، منگنز یا کبالت که توسط شیشه پوشانده شده‌اند تشکیل می‌شوند و به همین دلیل ممکن است به‌آسانی آسیب ببینند.مزیت اصلی این سنسورها نسبت به انواع ترموستات‌های snap-action سرعت پاسخ آن‌ها به هرگونه تغییرات دما و نیز دقت و تکرارپذیری‌شان است.

اغلب انواع ترمیستورها ضریب دمای منفی مقاومت (NTC) دارند. بدین‌صورت که مقدار مقاومت آن‌ها با افزایش دما کاهش می‌یابد. در نوع ضریب دمای مثبت (PTC) نیز مقدار مقاومت با افزایش دما زیاد می‌شود.

همان‌طور که گفتیم، ترمیستورها از یک نوع ماده نیمه‌هادی سرامیکی با استفاده از فناوری اکسید فلز مانند منگنز، کبالت، نیکل و… ساخته‌شده‌اند. ماده نیمه‌هادی معمولاً به شکل دیسک‌های یا گوی‌های فشرده کوچکی است که به‌گونه‌ای مهروموم‌شده تا پاسخ نسبتاً سریعی به تغییرات دما داشته باشد.

ترمیستورها با مقدار مقاومت در دمای اتاق (معمولاً 25∘C25∘C)، ثابت زمانی (زمان واکنش به تغییر دما) و اندازه توانشان برای عبور جریان مشخص می‌شوند. مشابه مقاومت‌ها، ترمیستورها – در دمای اتاق – در مقادیر ده‌ها مگا اهم تا چند اهم موجود هستند، اما برای اهداف انداز‌ه‌گیری، معمولاً در مقادیر کیلو اهم مورداستفاده قرار می‌گیرند.

ترمیستورها قطعات مقاومتی پسیو هستند، بدین معنی که باید از آن‌ها جریان عبور کند تا یک ولتاژ خروجی قابل‌اندازه‌گیری تولید شود. به همین دلیل، این سنسورها معمولاً به‌صورت سری با یک مقاومت بایاس مناسب قرار می‌گیرند تا یک شبکه تقسیم ولتاژ را تشکیل دهند. ولتاژ خروجی متناظر با مقادیر یا نقاط دمای از پیش تنظیم‌شده خواهد بود.

ترموکوپل

ترموکوپل (Thermocouple) پراستفاده‌ترین سنسور دما است. ترموکوپل‌ها به دلیل سادگی استفاده و سرعت پاسخشان به تغییرات دما (به دلیل اندازه کوچکی که دارند)، سنسورهای محبوبی هستند. این سنسورها همچنین محدوده دمای گسترده‌ای از −200∘C−200∘C تا +2000∘C+2000∘C دارند.

ترموکوپل‌ها سنسورهایی ترموالکتریکی هستند که اساساً از دو اتصال از فلزهای غیرمشابه مانند مس و کنستانتان تشکیل‌شده‌اند. این دو فلز در نقطه اتصال به یکدیگر جوش داده‌شده یا فشرده‌شده‌اند. اساس کار ترموکوپل بدین‌صورت است که یک اتصال در یک دمای ثابت نگه‌داشته می‌شود که اتصال مرجع (سرد) نام دارد، درحالی‌که دیگری اتصال اندازه‌گیری (گرم) است. وقتی دو اتصال دماهای متفاوتی داشته باشند، مطابق شکل زیر یک اختلاف ولتاژ به وجود می‌آید که برای اندازه‌گیری دما مورداستفاده قرار می‌گیرد.

اصول عملکرد یک ترموکوپل بسیار ساده و پایه‌ای است. وقتی دو اتصال دو فلز غیرمشابه مانند مس و کنستانتان در یکدیگر ذوب شوند، یک اثر ترموالکتریک تولید می‌شود که اختلاف‌پتانسیل ثابت در حدود چند میلی ولت بین آن‌ها نتیجه خواهد داد. اختلاف ولتاژ بین دو اتصال «اثر سیبک» (Seebeck effect) نامیده می‌شود. در این حالت، یک نیروی محرکه الکتریکی تولید می‌شود. درنتیجه، ولتاژ خروجی یک ترموکوپل تابعی از تغییرات دما است.

اگر هر دو اتصال در دمای مشابهی باشند، اختلاف‌پتانسیل دو اتصال صفر خواهد بود. به‌عبارت‌دیگر، ولتاژ خروجی نخواهیم داشت، زیرا . البته، وقتی پیوندها در یک مدار باشند و دماهای متفاوتی داشته باشند، ولتاژ‌ خروجی متناسب با اختلاف دمای دو اتصال خواهد بود. این اختلاف ولتاژ با دما افزایش خواهد یافت؛ تا جایی که به سطح ولتاژ پیک برسیم که این مورد با مشخصات دو فلز مورداستفاده تعیین می‌شود.

ترموکوپل‌ها را می‌توان از مواد مختلفی ساخت که ما را قادر می‌سازند دماهای بین −200∘C−200∘C تا +2000∘C+2000∘C را اندازه‌گیری کنیم. با چنین محدوده گسترده انتخابی، استانداردهای بین‌المللی برای رنگ ترموکوپل‌های مختلف وضع‌شده که به کاربر این توانایی را می‌دهد تا بتواند سنسور ترموکوپل مناسب را برای کاربرد خاص موردنظرش انتخاب کند. جدول زیر کدهای رنگی استاندارد بریتانیایی را نشان می‌دهد.