دما به دلیل اهمیت و تاثیر بسزای آن بر روی مواد و فرآیندهای در سطح مولکولی، به طور گسترده ای نسبت به سایر پارامترهای فیزیکی حس و پایش می شود و این پایش توسط انواع سنسور دمایی با عملکردهای متفاوت می تواند صورت گیرد.
درجه حرارت، درجه خاصی از گرمی یا سردی است که بر اساس مقیاس خاصی که به آن ارجاع می شود، معین می گردد. دما همچنین به عنوان مقدار انرژی گرمایی در یک سیستم یا جسم تعریف می شود. انرژی حرارتی ارتباط مستقیمی با انرژی مولکولی دارد: انرژی مولکولی وقتی انرژی حرارتی بیشتر است، افزایش می یابد.
سنسور دمایی بر تغییراتی که در مواد یا اجسام با تغییر دمای آنها اتفاق می افتد، نظارت می کند. سنسورهای دمایی از جمله ابزار دقیق هستند که می توانند تغییر در مقدار فیزیکی مربوط به تغییرات دما را تشخیص دهند. با اعمال حرارت بر روی جسم، اثرات اولیه مختلفی می تواند روی آن ایجاد شود مانند:
- تغییر در خواص الکتریکی جسم.
- تغییر در خواص فیزیکی یا ابعاد جسم.
- تغییر در شدت تشعشعات ساطع شده
- تغییر در وضعیت فیزیکی.
- تغییر در وضعیت شیمیایی یا خواص جسم.
انواع سنسور در تمامی اهداف صنعتی و تجاری استفاده می شوند که از انواع رایج آن می توان به سنسور دمایی اشاره نمود. بنابراین می توان اهمیت بسزای این قطعه الکترونیکی را متوجه شد. از این رو قصد داریم در این مطلب به طبقه بندی انواع سنسور، کاربردها، مزایا و… بپردازیم و دقیق ترین سنسور دمایی را معرفی نماییم.
طبقه بندی پایه ای انواع سنسور دمایی
سنسورهای دما را نیز می توان به طور پایه ای به دو نوع تماسی و غیر تماسی تقسیم نمود:
سنسورهای تماسی – این نوع سنسورهای دمایی باید در تماس فیزیکی با جسم مورد نظر قرار گرفته و از هدایت برای نظارت بر تغییرات دما استفاده کنند. از آنها می توان برای تشخیص جامدات ، مایعات یا گازها در طیف وسیعی از دما استفاده کرد.
سنسورهای غیرتماسی – این نوع سنسورهای دمایی از همرفت (انتقال حرارت) و تشعشعات برای نظارت بر تغییرات دما استفاده می کنند. از آنها می توان برای تشخیص مایعات و گازهایی استفاده کرد که با صعود گرما و فروکش سرما در جریان‌های همرفت، انرژی تابشی ساطع می کنند یا اینکه انرژی تابشی را که از یک جسم به شکل تابش مادون قرمز منتقل می شود، تشخیص دهند.
دو نوع اصلی سنسور دمای تماسی و غیر تماسی را می توان با توجه به نوع عملکرد آن به سه گروه سنسورهای الکترومکانیکی، الکترونیکی و تابشی تقسیم بندی کرد و هر سه نوع آن در زیر مورد بحث قرار گرفته است.
انواع سنسور دمایی بر اساس اصل عملکرد
انواع مختلف ابزارها یا حسگرهای مورد استفاده برای اندازه گیری دما بر اساس نوع روش مورد استفاده برای اندازه گیری دما به شرح زیر است:
- دماسنج های الکترومکانیکی (روش غیر الکتریکی)
- دماسنج های الکتریکی (روش الکتریکی)
- دماسنج های نوری (روش تابشی)
سنسورهای الکترومکانیکی دما (روش غیرالکتریکی):
معمولاً ابزارهای مکانیکی که برای اندازه گیری دما استفاده می شوند بر اساس اصل تغییر خواص فیزیکی یک ماده، هنگامی که ماده در معرض دما قرار می گیرد، طراحی می شوند. موارد زیر انواع مکانیکی سنسورهای دما هستند:
- دماسنج مایع شیشه ای (Liquid in glass)
- دماسنج سیستم پر از مایع (Liquid filled system)
- دماسنج فشار بخار (Vapour pressure)
- دماسنج دو فلزی (Bi-metallic)
- دماسنج میله ای جامد (Solid rod)
در دو دماسنج اول فوق، از انبساط حرارتی مایع با تغییرات دما برای اندازه گیری دما استفاده می شود؛ در حالی که اساس اندازه گیری در دماسنج فشار بخار، تغییر فشار بخار در محفظه حبابی شکل در معرض حرارت است.
نحوه عملکرد در دماسنج های دو فلزی و دماسنج های میله ای جامد، انبساط ماده جامد (یعنی میله فلزی یا نوارهای فلزی نازک) متناسب با دما است و از این رو انبساط حرارتی جامد نیز اندازه گیری دما را نشان می دهد.
سنسورهای حرارتی نوع الکترونیکی (روش الکترونیکی):
دستگاه‌های اندازه گیری درجه حرارت بر اساس تغییرات پارامترهای الکتریکی (مانند مقاومت ، ولتاژ ، فرکانس و غیره) با دما است. حسگرهای الکترونیکی دارای حساسیت خوب ، سرعت پاسخگویی بالا هستند و می توانند طیف وسیعی از دما را در مقایسه با ابزارهای مکانیکی اندازه گیری کنند. ابزارهای الکترونیکی مورد استفاده برای اندازه گیری دما به شرح زیر است:
- دماسنج مقاومتی
- دماسنج نیمه هادی
- ترمیستورها
- ترموکوپل
- دماسنج کریستال کوارتز
با افزایش دما، مقاومت الکتریکی یک عنصر افزایش یا کاهش می یابد. بنابراین، دما با اندازه گیری تغییر متناظر در مقاومت عناصر تعیین می شود ، دماسنج های مقاومتی، دماسنج های نیمه هادی و ترمیستورها از این اصل استفاده می کنند.
در ترموکوپل ها، هنگامی که تغییر دما در محل اتصال داغ (hot junction) ترموکوپل تشخیص داده می شود، emf ایجاد می شود. در دماسنج کریستالی کوارتز، تغییر دما سبب تغییر در فرکانس نوسان در نوسانگر کریستالی می شود.
سنسورهای دما نوع نوری (روش تابشی):
این ابزارها بر اساس اندازه گیری انرژی حرارتی ساطع شده از جسم گرم عمل می کنند، زیرا در دمای بالا یک جسم گرم تشعشع از خود منتشر می کند. نمونه ای از سنسور دمای نوری، پیرومتر تابشی (radiation pyrometer) است. پیرومتر تابشی وسیله ای است که برای اندازه گیری دمای بالا استفاده می شود و همچنین دمای جسم را بدون ایجاد تماس فیزیکی با آن اندازه گیری می کند؛ چرا که اندازه گیری دما را با اندازه گیری انرژی تابش های ایجاد شده توسط جسم گرم انجام می دهد.
انواع سنسور دمایی تماسی
ترموکوپل
ترموکوپل یک سنسور دمایی از نوع تماسی است که از دو نوع فلز مختلف تشکیل شده است و این دو فلزدر یک سر به هم متصل می شوند. هنگامی که محل اتصال دو فلز گرم یا سرد می شود، ولتاژی ایجاد می شود که مرتبط و وابسته به دما است. این امر به دلیل پدیده ای به نام اثر ترموالکتریک اتفاق می افتد. ترموکوپل ها به طور کلی ارزان هستند، زیرا طراحی و مواد آنها ساده است.
خروجی ترموکوپل به نوع ترموکوپل بستگی دارد:
- طبقه بندی نرمال ترموکوپل شامل انواع J ، K ، T ، E و N است که به ترموکوپل های “فلز پایه” معروف هستند.
- انواع R ، S و B به ترموکوپل “Noble Metal” معروف هستند.
- همچنین انواع C و D که به عنوان ترموکوپل “فلز مقاوم” شناخته می شوند.
ترمیستور
سنسور دقیق دیگر دما، ترمیستور است. ترمیستورها دقیق تر از ترموکوپل ها هستند و از سرامیک یا پلیمر ساخته شده اند. قاعده اصلی عملکرد ترمیستور بر پایه مقاومت است؛ به این معنا که با تغییر دما، مقاومت آن نیز تغییر می کند. بر اساس این اصل ، آن را به PTC (ضریب دمای مثبت) و NTC (ضریب دمای منفی) تقسیم می کنند:
- در PTC، با افزایش دما مقاومت مواد نیز افزایش می یابد.
- و در NTC، با افزایش دما مقاومت یک ماده نیز کاهش می یابد.
RTD (آشکارساز دمای مقاومتی)
آشکارسازهای حرارتی مقاومتی (RTD) دقیق ترین و گران ترین نوع سنسورهای دما هستند. این‌ها از فلزهای رسانایی با خلوص بالا مانند پلاتین، مس یا نیکل که در سیم پیچ، پیچیده شده اند، ساخته می شوند و مقاومت الکتریکی آنها به عنوان تابعی از دما، شبیه به ترمیستور تغییر می کند.
حسگرهای مقاومتی دما دارای ضرایب دمای مثبت (PTC) هستند اما برخلاف ترمیستور خروجی آنها بسیار خطی است و اندازه گیری های بسیار دقیق دما را ایجاد می کند. رایج ترین انواع RTD ها از پلاتین ساخته می شوند و دماسنج مقاومت پلاتینی یا PRT نامیده می شوند. رایج ترین سنسور مقاومت پلاتینی، Pt100 است که دارای مقدار استاندارد مقاومت Ω 100 در °C0 است.
سنسور نیمه هادی
این سنسورها همچنین با نام های سنسور دمای دیود، سنسور دمای مبتنی بر چیپ یا سنسور دمای IC خوانده می شوند. این نوع مدارهای مجتمع مبتنی بر حسگر دما (sensor-based integrated circuits) در دو نوع مختلف دمای موضعی (محلی) و نوع دیجیتال از راه دور در دسترس هستند. از نوع IC دمای محلی برای محاسبه دمای آنها از طریق خواص فیزیکی ترانزیستور استفاده می شود. نوع دیجیتال از راه دور برای محاسبه دمای ترانزیستور خارجی استفاده می شود.
سنسورهای دمای محلی از خروجی های آنالوگ و دیجیتال استفاده می کنند. خروجی های آنالوگ یا جریان یا ولتاژ هستند در حالی که خروجی های دیجیتال را می توان در قالب های مختلف مانند SMBus ، I²C ، SPI و 1-Wire مشاهده کرد. این سنسورها دما را روی PCB ها تشخیص می دهند. عملکرد سنسورهای دما از راه دور مشابه سنسورهای دمای محلی است که از ویژگی های فیزیکی ترانزیستور استفاده می کند. تفاوت اصلی این است که ترانزیستور دور از IC سنسور قرار دارد.
کریستال کوارتز
یک روش جدید و بسیار دقیق اندازه گیری دما، بر مبنای حساسیت کریستال کوارتز به تغییر دما و ایجاد فرکانس و تشدید آن است. وقتی از کریستال کوارتز برش داده شده (در زاویه ای دقیق) استفاد شود، یک تطابق کاملا خطی میان فرکانس و دما برقرار می گردد. گستره دمایی کار کرد این حسگر از منفی 40 درجه تا 230 درجه سلسیوس برآورد شده است و امروزه درصنعت کاربرد فراوانی دارد.
سنسورهای دما با محفظه پر شده
سیستم های محفظه حبابی شکل پر شده از اصل انبساط سیال برای اندازه گیری دما استفاده می کنند. اگر سیال در یک سیستم ایزوله، محصور شده و سپس گرم شود، مولکول‌های موجود در آن سیال فشار بیشتری بر دیواره های ظرف محصور کننده اعمال می کنند. با اندازه گیری این فشار و یا با اجازه دادن به سیال تحت فشار به حرکت و انبساط می توان دمای سیال و به طبع دمای محیط را استنباط کرد.
با توجه به نوع ماده پر کننده محفظه این سنسورها به چهار نوع سنسور دمای با محفظه پر شده تقسیم می گردند که خود شامل چندین کلاس (رده) می شود:
- پر شده با مایع (کلاس I A، B)
- پر شده با بخار (کلاس II A ،B ، C ، D)
- پر شده با گاز (کلاسIII A ،B)
- پر شده با جیوه (کلاسV A، B)
سنسور دو فلزی
ترموستات اصلی ترین نوع حسگرbi-metallic است که یک سنسور یا کلید حرارتی الکترومکانیکی از نوع تماسی است. این سنسور اساساً از دو فلز مختلف مانند نیکل، مس، تنگستن یا آلومینیوم و غیره تشکیل شده است که به یکدیگر متصل شده و یک نوار بی متالیک را تشکیل می دهند.
درجه انبساط خطی مختلف دو فلز متفاوت باعث ایجاد حرکت مکانیکی و خم شدن نوار در معرض حرارت می شود. نوار دو فلزی می تواند به عنوان یک سوئیچ الکتریکی یا یک روش مکانیکی برای عملکرد یک سوئیچ الکتریکی در کنترل های ترموستاتیک استفاده شود.
استفاده گسترده ترموستات در کنترل گرمایش آب گرم در دیگ‌های بخارو کوره ها و همچنین سیستم های خنک کننده مانند رادیاتور داخل خودرو است.
انواع سنسور دما غیر تماسی
سنسور تابشی مادون قرز IR
این نوع از دماسنج در تماس مستقیم با جسم نیستند، بلکه درجه حرارت یا سردی را از طریق تابش ساطع شده از منبع گرما اندازه گیری می کنند.
محدوده کاربرد سنسور غیرتماسی وسیع است. به عنوان مثال در طول بیماری همه گیری Covid-19، از این سنسور به طور گسترده در همه مکان های تجاری و اداری جهت پایش دمای بدن اشخاص استفاده شد. هرچند که برنامه های کاربردی بسیار بیشتری برای این حسگر دمایی وجود دارد.
دقیق ترین سنسور دمایی کدام است؟
در بخش های قبلی سعی بر شفاف سازی عملکرد و نقاط قوت و ضعف هر یک از سنسورهای دمایی داشتیم و مشخص شد که هر یک با توجه به نوع عملکرد و محدوده عملکردی در سنجش دما با توجه به نوع نیاز هدف به سنسور دمایی، مناسب ترین نوع حسگر حرارتی باشند. با این حال متخصصین ادعا می کنند که سنسور RTD از دقیق ترین سنسور دمایی است.
سنسور RTD دقیق ترین و پایدارترین سنسور دمایی است و خطی تر از ترموکوپل یا ترمیستور است. با این حال، RTD ها کندترین و گران ترین سنسورهای دمایی نیز هستند. بنابراین، در اهدافی که به دقت بسیار بالایی نیاز دارند و در عین حال سرعت و هزینه کمتر اهمیت دارد، استفاده از این نوع سنسور پیشنهاد می شود.
انواع کاربرد سنسور دما
سنسورهای دما برای اندازه گیری دما در بسیاری از برنامه ها و صنایع مختلف استفاده می شود. آنها در اطراف ما هستند؛ هم در زندگی مدرن روزمره و بیشتر هم در محیط های صنعتی وجود دارند. برخی از نمونه های کاربردی عبارتند از:
برنامه های صنعتی – نظارت بر ماشین آلات و محیط های مختلف، نیروگاه ها، تولید.
کاربردهای علمی و آزمایشگاهی – نظارت بر علم و فناوری بیوتکنولوژی.
برنامه های کاربردی پزشکی – نظارت بر بیمار، دستگاه های پزشکی، آنالیز گاز، کاتترهای قلبی ترمودیلوشن، دستگاه های مرطوب کننده، لوله های جریان هوا، دمای مایع دیالیز.
موتور اسپرت – گازهای خروجی، دمای هوای ورودی، دمای روغن و اندازه گیری دمای موتور.
لوازم خانگی – لوازم آشپزخانه (اجاق ، کتری و غیره) و همچنین کالاهای سفید.
برنامه های تهویه مطبوع – دستگاه های تهویه و تصفیه مطبوع هوا چه به صورت تجاری یا خانگی.
ترانزیت – وانت های یخچال دار و کامیون های انتقال کالا و دارو
سایر کاربردهای سنسور دما شامل موارد زیر است:
- سنسورهای دما در صنعت ساخت و ساز سبب ایمن سازی سازه می گردد و این ایمنی بخشی بسیار اقتصادی خواهد بود.
- آنها می توانند دمای سنگ را به منظور شناسایی مخازن ذخیره گازهای مایع و فرآیند انجماد زمین، تشخیص دهند.
- همچنین می توان از سنسورهای دما در حفاری ها، یافتن مخازن زیرزمین یو اندازه گیری دمای آب استفاده کرد.
- آنها برای تفسیر دما در سدها برای کاهش تنش در تغییرات حجم و کنترل تغییرات دما در سایر ابزارهای نصب شده مانند پخت بتن استفاده می شوند.
مزایای سنسورهای دما
سنسورهای دما در مقایسه با سایر ابزارهای کاربردی دارای مزایایی هستند.
- سنسورهای دما کم هزینه، دقیق و در آزمایش های مکرر بسیار قابل اعتماد هستند.
- آنها برای انواع اهداف و کاربردها قابل جاسازی و نصب روی سطح بوده و مطلوب هستند.
- به دلیل جرم حرارتی کمتر، زمان واکنش سریع تری دارند.
- نوع سیم ارتعاشی معمولاً کاملاً قابل تعویض است. این بدان معناست که می توان از یک نشانگر برای همه سنسورها استفاده کرد. همچنین دارای فناوری خاصی برای تأیید ثبات طولانی مدت، خروجی ساده و سریع است.
- آنها به طور کلی دارای درجه IP-68 توسط بدنه مقاوم در برابر آب و هوا هستند.
- آنها دارای برخی از شاخص ها هستند که برای نمایش مستقیم دما مناسب هستند. بنابراین می توان از آنها برای تشخیص از راه دور و ثبت اطلاعات استفاده کرد.
- پروب‌های دمایی دارای خطی دقیق و باگ پایین هستند.
- در نهایت باید گفت سنسورهای دما کاملاً غیر قابل نفوذ به هوا هستند. آنها کاملاً با جوشکاری اشعه الکترونی با خلاء خالص درون آنها مهر و موم شده اند.
معایب سنسورهای دما
معایب هر یک از سنسورهای دما شامل موارد زیر است:
- اشکالات ترموکوپل عبارتند از: حداقل ثبات، غیر خطی، ولتاژ پایین، نیازمند به مرجع.
- اشکالات RTD عبارتند از: گران قیمت، مقاومت مطلق از بین می رود، نیاز به منبع جریان، در مقایسه با ترموکوپل قوی نیست.
- معایب ترمیستور عبارتند از: نیاز به منبع جریان، خود گرمایش، شکننده، غیر خطی، پشتیبانی محدود.
- اشکالات سنسور IC عبارتند از: عملکرد کند است، نیازمند منبع تغذیه، خود گرمایش، تنظیمات محدود، درجه حرارت تا 150 درجه سانتیگراد.
نکات مهمی که در هنگام انتخاب سنسور دمایی باید در نظر گرفته شود
هنگام انتخاب سنسور دمایی برای استفاده در برنامه و هدف خاص خود، موارد زیر را باید در نظر بگیرید:
محدوده دما – سنسورهای مختلف دما می توانند محدوده های مختلف را اندازه گیری کنند و ممکن است در محدوده خاصی دقت بیشتری داشته باشند. قبل از خرید، محدوده سنسور دما و محدوده مورد انتظار برنامه خود را بررسی کنید. محدوده سنسور دما باید در برگه اطلاعات موجود باشد.
دقت و ثبات – درخواست شما ممکن است به درجه خاصی از دقت نیاز داشته باشد. ترموکوپل ها در مقایسه با ترمیستورها و RTD ها واریانس بالاتری در ثبات طولانی مدت دارند، بنابراین این نکته ای است که باید از آن آگاه باشید. ترمیستورهای NTC با روکش شیشه از جمله سنسورهای دما با بالاترین دقت هستند.
اندازه و نحوه اتصال – فضای موجود در برنامه بر نوع سنسور دما انتخاب شده تأثیر می گذارد. در صورت محدود بودن فضا، دستگاه کوچک‌تر مورد نیاز است. سبک اتصال نیز مهم است زیرا این امر نحوه ارتباط سنسور دما به دستگاه ها و نحوه اندازه گیری دما را تعیین می کند.
خلاصه و جمع بندی
ترموکوپل ها، RTD ها، ترمیستورها و نیمه هادی ها انواع اصلی سنسورهای دما هستند که امروزه مورد استفاده قرار می گیرند. ترموکوپل ها ارزان و بادوام هستند و می توانند طیف وسیعی از دما را اندازه گیری کنند. RTD ها طیف وسیعی از اندازه گیری های دما (هرچند کرنج محدودتری نسبت به ترموکوپل) را ارائه می دهند و اندازه گیری های دقیق و قابل تکرار را ارائه می دهند، اما کندتر هستند و به یک جریان تحریک نیاز و همچنین به تهویه سیگنال نیاز دارند. ترمیستورها بادوام و کوچک هستند، اما دقت کمتری نسبت به RTD ها دارند و برای تفسیر دما به اصلاح داده های بیشتری نیاز دارند. سنسورهای IC مبتنی بر نیمه هادی انعطاف پذیر هستند و می توانند در بسته های بسیار کوچک عرضه شوند، اما محدوده دمای محدودی دارند.
