اندازه‌گیری دما با سنسور

درجه حرارت جزو مهم‌ترین کمیت‌هایی است که برای کنترل فرایندهای صنعتی اندازه‌گیری می‌شود. یکی از ابزارهای ساده جهت اندازه‌گیری درجه گرما یا سرما، سنسور دما است. انواع مختلفی از سنسورها برای اندازه‌گیری دما طراحی و تولید شده است. حال اگر مایلید با سنسورهای مناسب برای اندازه‌گیری دما، نحوه اندازه‌گیری دما با سنسور و مقایسه سنسورها با یکدیگر بیش‌تر آشنا شوید با ما در ادامه همراه باشید.

معرفی سنسورهای مناسب برای اندازه‌گیری دما

در اندازه‌گیری دما با سنسور، ما شاهد انواع مختلفی از سنسورها هستیم که شامل موارد زیر می‌باشد.

سنسور ترموکوپل

یکی از ابزارهای مهم و کاربردی اندازه‌گیری دما در محیط‌های صنعتی، سنسور ترموکوپل است. اساس کار سنسور ترموکوپل، پدیده سیبک است که توسط یک فیزیک‌دان آمریکایی در سال ۱۸۲۱ کشف شد. این پدیده ثابت می‌کند اختلاف دما بین دو رسانا الکتریکی یا نیمه هادی متفاوت باعث ایجاد اختلاف ولتاژ در بین این دو رسانا می‌شود. بدین معنا که اگر دو فلز متفاوت از یک سمت به یکدیگر متصل باشند، اختلاف دما در بین دو سر آن یک نيروی الکتروموتیو ایجاد می‌کند. در واقع ساختار سنسور ترموکوپل بدین صورت است که دو سیم فلزی غیر همجنس مانند مس و کنستانتان از یک سمت به یکدیگر متصل هستند و افزایش دما در نقطه اتصال باعث می‌شود ولتاژی متناسب با دما در دو سر آزاد سیم‌ها تولید شود. نقطه اتصال سیم‌ها، اتصال گرم و سمت آزاد سیم‌ها را اتصال سرد می‌نامند. برای اندازه‌گیری دما با سنسور ترموکوپل نقطه اتصال گرم را در محیط مورد نظر قرار می‌دهند. انتهای آزاد سیم‌ها نیز برای اندازه‌گیری ولتاژ تولید شده به کنترلر یا اندازه‌گیر متصل می‌شود. ترموکوپل‌ها که به عنوان سنسورهای دما معروف می‌باشند در چندین نوع و تیپ طراحی و تولید می‌شوند و از طریق رنگ، می‌توان آن‌ها را از یکدیگر تشخیص داد البته این رنگ‌ها در کشورهای مختلف، متفاوت است. محدوده دمایی قابل اندازه‌گیری با ترموکوپل به نوع ترموکوپل و محل مورد نظر بستگی دارد. ترموکوپل انواع مختلفی دارد که شامل نوع k, E, J, N, T, R, S, B است که نوعk  پرکاربردترین نوع ترموکوپل است.

سنسور دما RTD

همان‌گونه که دریافتید سنسور یکی از ابزار اندازه‌گیری دما است و بسته به جنس، مقاومت آن‌ها به دو گروه RTD و Thermistor   تقسیم می‌شوند. مقاومت RTD حساس به دما بوده و در اثر حرارت تغییر می‌کند. این تغییرات هم جهت است و در صورت افزایش دما مقاومت سنسور نیز افزایش می‌یابد. سنسورهای RTD از نظر نوع سیم بندی به مدل‌های دو، سه و چهار سیمه طراحی و تولید می‌شوند. همچنین از نظر ساحتمانی در سه مدل wire wound, thin film, coiled element  هستند. از پرکاربردترین و مهم‌ترین نوع سنسور RTD  می‌توان به PT100 اشاره کرد چراکه این سنسور از پلاتین ساخته شده است و در دمای صفر درجه سانتی‌گراد دارای مقاومت ۱۰۰ اهمی می‌باشد.

سنسور ترمیستور

همانگونه که پيش‌تر گفته شد ترمیستور یکی از سنسورهای مقاومتی در اندازه‌گیری دما است. این سنسور مقاومتی از مواد نیمه هادی ساخته شده است و نسبت به دما حساس می‌باشد. ترمیستور که از اکسیدهای فلزی تشکیل شده است در شکل‌های مختلف مهره، دیسک و یا استوانه طراحی و تولید می‌شود. سنسورهای ترمیستور در دو نوع NTC و PTC وجود دارند که NTC دارای ضریب دمایی منفی است بدین معنا که با افزایش دما مقاومت کاهش می‌یابد و PTC دارای ضریب دمایی مثبت است بدین معنا که با افزایش دما مقاومت افزایش پیدا می‌کند.

IC Sensor

نوع دیگری از سنسورهای اندازه‌گیری دما، IC است. از ویژگی‌های برجسته این سنسور می‌توان به قیمت مناسب آن اشاره کرد و از معایب آن می‌توان به رنج دمایی محدود اشاره داشت. LM35 که یکی از رایج‌ترین و پرکاربردترین نوع این سنسور می‌باشد، خروجی آن یک سیگنال آنالوگ متناسب با دمای لحظه‌ای است و با تفسیر این ولتاژ خروجی دمای محیط را اندازه‌گیری می‌کنند.

نحوه اندازه‌گیری دما با سنسور

روش تشعشعی: از این روش در صورت وجود فاصله زیاد بین جسم و دستگاه اندازه‌گیری دما استفاده می‌شود که به علت عدم اتصال فیزیکی روشی بدون تماس است. این روش در لامپ‌های UV detector و لامپ‌های مادون قرمز به کار گرفته می‌شود.

روش تغییر ابعاد یا انبساط و انقباض: در این روش از دماسنج جیوه‌ای و بی‌متال برای اندازه‌گیری دما استفاده می‌شود. در هنگام اندازه‌گیری دما با دماسنج جیوه‌ای در زمان افزایش دما جیوه منبسط خواهد شد و اندازه‌گیری دما با ترموستات مکانیکی بی‌متال بر اساس منبسط شدن و منقبض شدن فلزات صورت می‌گیرد.

روش مبتنی بر تغییرات الکتریکی: در این روش، اندازه‌گیری دما با سنسور ترموکوپل، RTD و ترمیستور استفاده می‌شود که همگی پيش‌تر معرفی شده‌اند. همچنین هنگام اندازه‌گیری با هر کدام از سنسورهای ذکر شده در صورت تجاوز میزان دما از حد معین دستگاه اخطار صادر می‌کند.

مقایسه سنسورها با یکدیگر

در این بخش به مقایسه‌ی انواع سنسورها با یکدیگر می‌پردازیم.

مقایسه ترمیستور و ترموکوپل

یکی از تفاوت‌های آشکار ترموکوپل و ترمیستور در جنس است که ترموکوپل از فلز یا آلیاژهای فلزات ساخته شده است اما ترمیستور از مواد نیمه هادی مثل اکسیدهای منیزیم، نیکل و کبالت ساخته شده است.

• دقت ترموکوپل نسبت به ترمیستور بالاتر است.
• محدوده دمایی قابل اندازه‌گیری ترموکوپل نسبت به ترمیستور بالاتر است.
• ترموکوپل نسبت به ترمیستور کندتر پاسخ می‌دهد.
• ترموکوپل بر خلاف ترمیستور به منبع تغذیه خارجی احتیاجی ندارد.

مقایسه ترمیستور و RTD

تفاوت عمده و اصلی این دو سنسور در جنس است که RTD  از جنس فلز و ترمیستور از مواد نیمه هادی ساخته شده است.

مقایسه RTD  و ترموکوپل

• ترموکوپل نسبت به RTD پایداری کم‌تری دارد.
• ترموکوپل نسبت به RTD قیمت پایین‌تری دارد.
• ترموکوپل نسبت به RTD محدوده دمایی گسترده‌تری را می‌تواند اندازه‌گیری کند.
• ترموکوپل نسبت به RTD در زمان پاسخگویی سریع‌تر است.
• ترموکوپل برخلاف RTD نیازی به منبع جریان ندارد.
• ترموکوپل نسبت به RTD تنوع بیش‌تری دارد.

کلام آخر

دما جزو کمیت‌هایی است که در بسیاری از شرایط باید اندازه‌گیری شود حال اندازه‌گیری دما با سنسور انجام می‌شود که سنسورهای گوناگونی برای این کار طراحی و تولید می‌شوند. در واقع وظیفه کلی سنسور دما اندازه‌گیری دما و تبديل آن به شکلی خوانا از طریق سیگنال الکتریکی است‌. سعی ما در این مقاله بر این بوده تا در ارتباط با سنسورهای اندازه‌گیری دما، نحوه اندازه‌گیری دما با سنسور و تفاوت سنسورها با یکدیگر اطلاعاتی در اختیار شما عزیزان قرار دهیم. از همراهی شما سپاس‌گزاریم.