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. در این آموزش درباره سنسورهای دما و انواع آن‌ها بحث خواهیم کرد.

 می‌دانیم که حرکت ملکول‌ها و اتم‌ها سبب ایجاد گرما می‌شود و هرچه این حرکت بیشتر باشد، گرمای بیشتری تولید خواهد شد. سنسورهای دما مقدار انرژی گرمایی یا حتی سرمای تولیدی یک جسم یا سیستم را اندازه‌گیری می‌کنند و به ما این توانایی را می‌دهند که بتوانیم هرگونه تغییر فیزیکی در دما را با یک خروجی آنالوگ یا دیجیتال حس (Sense) یا آشکار (Detect) کنیم.

انواع سنسور دما

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

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

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

• سنسورهای الکترومکانیکی
• سنسورهای مقاومتی
• سنسورهای الکترونیکی

در ادامه، هر یک از این انواع را معرفی خواهیم کرد.

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 دو فلزی 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 به تنهایی می‌توان به عنوان یک سوئیچ یا کلید الکتریکی یا یک راه‌حل مکانیکی برای عملکرد سوئیچ الکتریکی در کنترل ترموستاتیک یا کنترل المنت‌های گرمایش آب در کوره‌ها، تانکرهای ذخیره آب گرم و نیز سیستم خنک‌کننده رادیاتور خودرو استفاده کرد.

شکل زیر ساختار یک ترموستات دو فلزی را نشان می‌دهد.

ترموستات از دو فلز متفاوت (از نظر مشخصات گرمایی) تشکیل شده است که به صورت پشت به پشت به یکدیگر متصل شده‌اند. وقتی هوا سرد باشد، کنتاکت‌ها بسته هستند و جریان از ترموستات عبور می‌کند. اما هنگامی که 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 به صورت 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.

نوع دیگر ترموستات، «عملکرد تدریجی» (Creep-action) دارد و موقعیت کنتاکت‌های آن به تدریج نسبت به تغییرات دما تغییر می‌کنند.

ترموستات‌های ضربه‌ای معمولاً در خانه‌ها و برای کنترل نقطه تنظیم اجاق‌ها، اتو‌ها، مخازن آب گرم و نیز روی دیوارها برای کنترل سیستم گرمایش خانه به کار می‌روند.

ترموستات‌هایی با عملکرد تدریجی معمولاً از کویل یا سیم‌پیچ دو فلزی تشکیل شده‌اند که با تغییر دما به آرامی باز می‌شود. معمولاً، نوع تدریجی نسبت نوع خاموش/روشن استاندارد به تغییرات دما حساس‌تر است، زیرا نوار آن طولانی‌تر و نازک‌تر بوده و به همین دلیل، این نوع ترموستات گزینه ایده‌آلی برای استفاده در گیج‌های دماسنج است.

اگرچه ترموستات‌های Snap-action بسیار ارزان و برای محدوده عملکرد وسیعی در دسترس هستند، یکی از معایب اصلی آن‌ها وقتی به عنوان سنسور دما مورد استفاده قرار می‌گیرند، این است که در مدت زمان باز تا بسته بودن کنتاکت‌های الکتریکی آن‌ها یک محدوده هیسترزیس بزرگ وجود دارد. برای مثال، ممکن است ترموستات روی $${20}^{\circ }\text{C}$$

تنظیم شده باشد، اما تا زمانی که به $${22}^{\circ }\text{C}$$ نرسد، تیغه‌های آن باز نشود یا اینکه تا به $${18}^{\circ }\text{C}$$

  نرسد تیغه‌ها بسته نشوند.

بنابرین، محدوده نوسان دما می‌تواند بسیار زیاد باشد. ترموستات‌های دو فلزی موجود در بازار را برای استفاده‌های خانگی می‌توان با استفاده از پیچ‌گوشتی تنظیم کرد و به این ترتیب، به دمای مطلوب رسید و سطح هیسترزیس را بازتنظیم نمود.

ترمیستور

ترمیستور (Thermistor) نوع دیگری از سنسورهای دما است و همان‌طور که از نامش بر می‌آید، 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 به آسانی آسیب ببینند.

مزیت اصلی این سنسورها نسبت به انواع ترموستات‌های snap-action سرعت پاسخ آن‌ها به هر گونه تغییرات دما و نیز دقت و تکراپذیری‌شان است.

اغلب انواع ترمیستورها ضریب دمای منفی مقاومت (NTC) دارند. بدین صورت 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… ساخته شده‌اند. ماده نیمه‌هادی معمولاً به شکل دیسک‌های یا گوی‌های فشرده کوچکی است که به گونه‌ای مهر و موم شده تا پاسخ نسبتاً سریعی به تغییرات دما داشته باشد.

ترمیستورها با مقدار مقاومت در دمای اتاق (معمولاً $${25}^{\circ }\text{C}$$

)، ثابت زمانی (زمان واکنش به تغییر دما) و اندازه توانشان برای عبور جریان مشخص می‌شوند. مشابه مقاومت‌ها، ترمیستورها – در دمای اتاق – در مقادیر ده‌ها مگااهم تا چند اهم موجود هستند، اما برای اهداف انداز‌ه‌گیری، معمولاً در مقادیر کیلواهم مورد استفاده قرار می‌گیرند.

ترمیستورها قطعات مقاومتی پسیو هستند، بدین معنی که باید از آن‌ها جریان عبور کند تا یک ولتاژ خروجی قابل اندازه‌گیری تولید شود. به همین دلیل، این سنسورها معمولاً به صورت 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 تنظیم شده خواهد بود.

مثال ۱

مقاومت ترمیستور شکل زیر در دمای $${25}^{\circ }\text{C}$$

برابر با $$10k\Omega$$ و در دمای $${100}^{\circ }\text{C}$$ برابر با $$100\Omega$$ است. افت ولتاژ دو سر ترمیستور و ولتاژ خروجی آن را برای دماهای داده شده در حالتی حساب کنید که از طریق یک مقاومت سری $$10k\Omega$$ به منبع تغذیه $$12\text{V}$$

متصل شود.

حل: در دمای $${25}^{\circ }\text{C}$$

داریم:

$$V_{out}=\frac{R_2}{R_1+R_2}V=\frac{1000}{10000+1000}\times 12=1.09\text{V}$$

در دمای $${100}^{\circ }\text{C}$$

نیز می‌توان نوشت:

$$V_{out}=\frac{R_2}{R_1+R_2}V=\frac{1000}{100+1000}\times 12=10.9\text{V}$$

با تعویض مقاومت ثابت $$R_2$$

با یک پتانسیومتر یا پیش‌تنظیم، می‌توان ولتاژ خروجی را در نقطه تنظیم یک دمای از پیش تعیین شده به دست آورد (برای مثال، خروجی $$5\text{V}$$ در دمای $${60}^{\circ }\text{C}$$

) و با تغییر پتانسیومتر می‌توان به سطح ولتاژ خروجی خاصی در یک محدوده دمایی گسترده‌تر دست یافت.

ترمیستورها قطعاتی غیرخطی هستند و مقادیر مقاومت استاندارد آن‌ها در دمای اتاق، نسبت به ترمیستورهای دیگر متفاوت است. دلیل این امر مواد تشکیل دهنده ترمیستورها است. خروجی یک ترمیستور به صورت نمایی نسبت به دما تغییر می‌کند و بنابراین، یک ثابت دمای بتا ($$\beta$$

) دارد که می‌توان از آن برای محاسبه مقاومت در هر نقطه دمای داده شده‌ای استفاده کرد.

البته، وقتی از یک مقاومت سری با پیکربندی مشابه شبکه مقسم ولتاژ یا  پل وتستون  استفاده می‌شود، جریان به دست آمده از ولتاژ‌ اعمالی به مقسم/پل نسبت به دما خطی است. در نتیجه، ولتاژ خروجی مقاومت نسبت به دما خطی خواهد بود.

سنسور مقاومتی دما

نوع دیگری از سنسور دمای الکتریکی، سنسور مقاومتی دما (Resistance Temperature Detector) یا RTD است. RTDها سنسورهای دمای دقیقی هستند که از مواد هادی بسیار خالصی مانند پلانینیوم، مس یا نیکل پیچیده شده به صورت سیم‌پیچ تشکیل شده‌اند و مقاومت الکتریکی آن‌ها، مشابه ترمیستور، به عنوان تابعی از دما تغییر می‌کند. همچنین، RTDهای فیلم نازک نیز در بازار موجود هستند. این قطعات یک فیلم نازک از خمیر پلاتینیوم دارند که در یک ماده سرامیکی سفید قرار گرفته است. شکل زیر یک RTD مقاومتی را نشان می‌دهد.

سنسورهای مقاومتی دما، ضریب دمای مثبت (PTC) دارند، اما، برخلاف تریستورها، خروجی آن‌های شدیداً خطی است و اندازه‌گیری‌های بسیار دقیقی از دما دارند. البته، این سنسورها حساست گرمایی بسیار ضعیفی دارند و تغییر دما منجر به یک خروجی بسیار کوچک در آن‌ها می‌شود (مثلاً $$1\Omega {/}^{\circ }\text{C}$$

).

انواع رایج‌تر RTDها از پلاتینیوم ساخته می‌شوند که سنسور دمای مقاومتی پلاتینیومی (Platinum Resistance Thermometer) یا PRT نام دارند که همه سنسورهای $$\text{PT}100$$

از این دسته هستند و مقدار مقاومت استانداردی برابر با $$100\Omega$$ در $$0^{\circ }\text{C}$$

دارند. البته این سنسورها یک نکته منفی دارند و آن این است که پلاتینیوم گران است.

مشابه ترمیستور، RTD نیز یک قطعه مقاومتی پسیو است و با عبور جریان از سنسور دما، به دست آوردن یک ولتاژ خروجی که به صورت خطی با دما تغییر می‌کند، ممکن است. یک RTD معمولی دارای مقاومت پایه $$100\Omega$$

در $$0^{\circ }\text{C}$$ است که به مقدار $$140\Omega$$ در $${100}^{\circ }\text{C}$$ افزایش می‌یابد و بازه عملکرد آن بین $$-{200}^{\circ }\text{C}$$ تا $$+{600}^{\circ }\text{C}$$

است.

از آن‌جایی که RTD یک قطعه مقاومتی است، باید جریانی از آن عبور کند و ولتاژ منتجه پایش شود. هرچند، هر تغییری در مقاومت به دلیل گرمای سیم‌ها (به دلیل عبور جریان)، سبب خطای خواندن می‌شود. برای جلوگیری از این اتفاق، RTD معمولاً به یک شبکه پل وتستون متصل می‌گردد. به این ترتیب، سیم‌های متصل اضافه‌ای برای جبران‌سازی و یا اتصال به یک  منبع جریان ثابت وصل می‌شود.

ترموکوپل

 ترموکوپل (Thermocouple) پر استفاده‌ترین 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 $$-{200}^{\circ }\text{C}$$

تا $$+{2000}^{\circ }\text{C}$$

دارند.

ترموکوپل‌ها سنسورهایی  ترموالکتریکی هستند که اساساً از دو اتصال از فلزهای غیرمشابه مانند مس و کنستانتان تشکیل شده‌اند. این دو فلز در نقطه اتصال به یکدیگر جوش داده شده یا فشرده شده‌اند. اساس کار ترموکوپل بدین صورت است که یک اتصال در یک دمای ثابت نگه داشته می‌شود که اتصال مرجع (سرد) نام دارد، در حالی که 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 مورد استفاده 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 اختلاف پتانسیل ثابت در حدود چند میلی‌ولت 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. در نتیجه، ولتاژ خروجی یک ترموکوپل تابعی از تغییرات دما است.

اگر هر دو اتصال در دمای مشابهی باشند، اختلاف پتانسیل دو اتصال صفر خواهد بود. به عبارت دیگر، ولتاژ خروجی نخواهیم داشت، زیرا $$V_1=V_2$$

. 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 مورد استفاده تعیین می‌شود.

ترموکوپل‌ها را می‌توان از مواد مختلفی ساخت که ما را قادر می‌سازند دماهای بین $$-{200}^{\circ }\text{C}$$

تا $$+{2000}^{\circ }\text{C}$$

را اندازه‌گیری کنیم. با چنین محدوده گسترده انتخابی، استانداردهای بین‌المللی برای رنگ ترموکوپل‌های مختلف وضع شده که به کاربر این توانایی را می‌دهد تا بتواند سنسور ترموکوپل مناسب را برای کاربرد خاص مورد نظرش انتخاب کند. جدول زیر کدهای رنگی استاندارد بریتانیایی را نشان می‌دهد.

نوع	هادی‌ها (+/-)	حساسیت	استاندارد BS 1843:1952
E	نیکل کروم / کنستانتان	$$-{200}^{\circ }\text{C}$$

تا $${900}^{\circ }\text{C}$$

J	آهن / کنستانتان	$$0^{\circ }\text{C}$$

تا $${750}^{\circ }\text{C}$$

K	نیکل کروم / نیکل آلومینیوم	$$-{200}^{\circ }\text{C}$$

تا $${1250}^{\circ }\text{C}$$

N	نیکروسیل / نیسیل	$$0^{\circ }\text{C}$$

تا $${1250}^{\circ }\text{C}$$

T	مس / کنستانتان	$$-{200}^{\circ }\text{C}$$

تا $${350}^{\circ }\text{C}$$

U	مس / آلیاژ مس نیکل برای S و R	$$0^{\circ }\text{C}$$

تا $${1450}^{\circ }\text{C}$$

سه ماده رایج در ترموکوپل‌ها برای اندازه‌گیری دما آهن-کنستانتان (نوع J)، مس-کنستانتان (نوع T) و نیکل-کروم (نوع K) هستند. ولتاژ خروجی یک ترموکوپل به ازای $${10}^{\circ }\text{C}$$

تغییر دما بسیار کوچک و در حدود چند میلی‌ولت است. به همین دلیل استفاده از یک تقویت‌کننده ضروری است.

تقویت‌کننده، چه گسسته و چه عملیاتی، باید با دقت انتخاب شود، زیرا ترموکوپل باید پایداری مناسبی داشته باشد و نیازی به کالیبراسیون دوباره آن نباشد. این امر سبب می‌شود چاپر و تقویت‌کننده نوع ابزار دقیق برای اغلب کاربردهای اندازه‌گیری دما گزینه مناسب‌تری باشند.

انواع دیگر سنسورهای دما از قبیل سنسورهای پیوندی نیمه‌هادی، سنسورهای فروسرخ و تشعشع گرمایی، ترمومترهای پزشکی و… نیز در بازار موجود هستند.