درباره دقیق ترین سنسورهای دما و حرارتی بیشتر بدانیم

به گزارش گروه بازار خبرگزاری آنا، سنسورهای دما و حرارتی که به آن ها حسگرهای دما هم گفته می شوند، به عنوان یکی از مهم ترین و حرفه ای ترین تجهیزات برق و ابزار دقیق محسوب می گردند که به وفور در محیط های صنعتی بزرگ و کوچک به منظور اندازه گیری کمیت فیزیکی دما مورد استفاده قرار می گیرند. در این مطلب درباره دقیق ترین سنسورهای دما و حرارتی، انواع ترموکوپل، RTD، ترمیستور و ترموستات و کاربردهای آن ها آشنا می شوید. اما در ابتدا لازم است با تعریف و نحوه کارکرد اساسی این تجهیزات سنجش دما آشنا شوید.

سنسور دما چیست؟

سنسور دما (Temperature Sensor) سنسور حرارتی یا حسگر دما، یک نوع تجهیز برقی حرفه ای است که به منظور اندازه گیری میزان دما در محیط های مختلف استفاده می شود. این اندازه گیری می تواند دمای هوا، دمای مایعات یا دمای یک ماده جامد باشد. این تجهیزات، مقدار انرژی گرمایی یا حتی سرمای تولید شده توسط یک جسم یا سیستم را اندازه می‌گیرند و به ما امکان می‌دهند هر گونه تغییر فیزیکی در آن دما را که خروجی آنالوگ یا دیجیتال تولید می‌کند، حس کرده یا تشخیص دهیم.

به عبارت دیگر و به نقل از وبسایت fierceelectronics:

سنسور دما یک دستگاه الکترونیکی است که دمای محیط خود را اندازه گیری و داده های ورودی را به داده های الکترونیکی تبدیل می کند تا بدین وسیله تغییرات دما را ثبت، نظارت یا سیگنال دهد. انواع مختلفی از سنسورهای دما وجود دارند. برخی از سنسورهای دما نیاز به تماس مستقیم با جسم فیزیکی دارند که در حال نظارت است (حسگرهای تماسی). در حالی که برخی دیگر به طور غیرمستقیم دمای یک جسم را اندازه گیری می کنند (حسگرهای دمای غیر تماسی).

سنسورهای دما چگونه کار می کنند؟

سنسورهای دما، خوانش دما را از طریق سیگنال های الکتریکی اندازه گیری می کنند. آنها حاوی دو عدد فلز هستند که هنگام تغییر دما، یک ولتاژ یا مقاومت الکتریکی ایجاد می کنند. حسگر، نقش حیاتی در حفظ دمای خاص برای صنایع مختلف از جمله کاربردهای پزشکی، سیستم‌های تهویه مطبوع و لوازم الکتریکی دارد. سنسورهای دما برای دقت و کنترل میزان دما در صنایعی مانند: نفت، گاز، پالایش، پتروشیمی، صنایع فولاد، مس، آهن و بسیاری صنایع دیگر حیاتی هستند. دماسنج های اندازه گیری دما با اندازه گیری ولتاژ در پایانه های دیود کار می کنند. هنگامی که ولتاژ افزایش می یابد، دما نیز افزایش می یابد، سپس با افت ولتاژ بین پایانه های ترانزیستور و امیتر (در یک دیود) همراه است.

انواع سنسور دما حرارتی و بررسی دقیق ترین آن ها

انواع مختلفی از سنسورهای دما وجود دارند و هر کدام از آنها از فناوری ها و اصول متفاوتی برای سنجش کمیت دما استفاده می کنند. دماسنج های اندازه گیری معمولاً بر اساس اتصالشان دسته بندی می شوند که بسته به نوع کاربرد مورد استفاده یا صنعتی که در آن کار می کنید، به دو دسته اصلی تقسیم بندی می شوند:

سنسور دمای تماسی

سنسورهای دمای تماسی، درجه گرمی یا سردی یک جسم یا ماده را از طریق تماس مستقیم اندازه گیری می کنند. آنها معمولاً برای تشخیص طیف گسترده ای از دماها در جامدات، مایعات یا گازهای مختلف استفاده می شوند. مانند: سنسور ترموکوپل، سنسور مقاومتی RTD و ترمیستورها.

سنسور دمای غیر تماسی

این دماسنج‌ها هرگز در تماس مستقیم با جسم یا ماده نیستند، بنابراین در محیط‌های خطرناک مانند صنایع نیروگاهی کاربردهای زیادی دارند. این تجهیزات، گرم یا سرد بودن چیزی را از طریق تشعشعات ساطع شده از منبع گرما اندازه گیری می کنند. این نوع از حسگرها معمولاً به سنسورهای مادون قرمز ساطع شده مشهورند. چنین دماسنج هایی اغلب در محیط های خطرناک مانند نیروگاه های هسته ای یا نیروگاه های حرارتی استفاده می شوند.

ترموکوپل

سنسورهای ترموکوپل (Thermocouple Sensors) به دلیل قابلیت اطمینان، دقت، حساسیت، سادگی و گستره کاری وسیع دما یکی از رایج ترین و حرفه ای ترین سنسورهای سنجش دا هستند. آنها دارای دو سیم فلزی غیرمشابه (مانند مس و کنستانتان) هستند که در دو نقطه مختلف به هم متصل می شوند تا یک اتصال را ایجاد کنند. یک نقطه به عنوان "اتصال سرد (Cold Junction)" شناخته می شود که در دمای خاصی نگهداری می شود و دیگری به عنوان "اتصال گرم (Hot Junction) " معروف است. این ولتاژ بین دو سیم است که تغییرات دما را ثبت می کند.

دماسنج ترموکوپل ممکن است به اندازه آشکارسازهای دمای مقاومتی (RTD) دقیق نباشند. با این حال، آنها از لحاظ هزینه بسیار مقرون به صرفه تر بوده و محدوده دمایی بسیار وسیعی را پشتیبانی می کنند (از ۲۰۰- تا ۲۰۰۰+ درجه سانتیگراد).

ترکیبات زیادی از متریال به منظور تولید انواع سنسور ترموکوبل قابل قبول، مشاهده شده است که هر یک از آن ها کاربرد خاصی دارند و متناسب با مکانی یا ناحیه ای که قرار است اندازه گیری شوند، مورد مصرف قرار می گیرند. دماسنج اندازه گیری دما به گونه ای ساخته شده است که با یک رابطه دمایی e.m.f/ مشخص شده در قالب مقادیر جدول بندی شده، قابل تطابق دارد. خرید سنسور یا دماسنج حرارتی نیاز به بررسی دقیق این محصولات دارد که نمی توان بدون مشورت و راهنمایی با کارشناسان خبره، این کار را به راحتی انجام داد. e.m.fs به طور معمول به یک  میلی ولت در برابر دما در فواصل یک درجه سانتیگراد حل می شود و بالعکس. در سطح بین المللی، این جداول مرجع هستند.

سه متریال متداول در حسگرهای ترموکوپل مورد استفاده بابت اندازه گیری دما وجود دارند که عبارتند از: آهن-کنستانتان (نوع J)، مس-کنستانتان (نوع T) و نیکل-کروم (نوع K). ولتاژ خروجی از یک ترموکوپل بسیار کوچک است، تنها چند میلی ولت (mV) برای تغییر ۱۰ درجه سانتیگراد در اختلاف دما و به دلیل این ولتاژ خروجی کوچک، نوعی تقویت به طور کلی مورد نیاز است.

قوانین ترموکوپل چیست؟

ترموکوپل ها قوانین خاصی دارند که در ادامه به آن ها اشاره می کنیم:

۱) قانون مواد همگن

اگر تمام سیم ها و ترموکوپل از یک ماده ساخته شده باشند، تغییرات دما در سیم کشی بر ولتاژ خروجی تأثیر نمی گذارد. از این رو، سیم هایی که از متریال متمایز ساخته شده اند، مورد نیاز است.

۲) قانون فلزات واسط

مجموع تمام نیروهای ترموالکتریک در یک مدار با تعدادی مواد غیرمشابه در دمای یکنواخت 0 است. این بدان معناست که اگر ماده سومی در همان دما اضافه شود، هیچ ولتاژ خالصی توسط ماده جدید تولید نمی‌شود.

۳) قانون دماهای متوالی

اگر دو ماده همگن ناهمسان زمانی که اتصالات در T1 و T2 هستند emf1 حرارتی تولید کنند و زمانی که اتصالات در T2 و T3 هستند emf2 حرارتی تولید کنند، emf تولید شده زمانی که اتصالات در T1 و T3 هستند emf1 + emf2 خواهد بود.

سنسور RTD

نوع دیگری از سنسورهای دمای مقاومت الکتریکی که به دقیق ترین سنسورهای دما و حرارتی معروفند، آشکارساز دمای مقاومتی یا سنسور RTD است. حسگرهای RTD، تجهیزات دقیقی هستند که از فلزات رسانا با خلوص بالا مانند پلاتین، مس یا نیکل ساخته شده اند که به یک سیم پیچ پیچیده می شوند و مقاومت الکتریکی آن ها بر اساس دما تغییر می کند، مشابه دماسنج های ترمیستور (در بخش بعدی به آن ها اشاره خواهیم کرد). همچنین RTD های لایه نازک موجود هستند. این تجهیزات برقی دارای یک لایه نازک از خمیر پلاتین هستند که بر روی یک بستر سرامیکی سفید قرار می گیرد. آشکارسازهای دمای مقاومتی دارای ضرایب دمایی مثبت (PTC) هستند، اما بر خلاف ترمیستور خروجی آنها بسیار خطی است و اندازه گیری های بسیار دقیق دما را تولید می کند.

با این حال، آنها حساسیت حرارتی بسیار ضعیفی دارند، یعنی تغییرات دما تنها یک تغییر خروجی بسیار کوچک ایجاد می کند، به عنوان مثال، 1Ω/oC.

انواع متداول سنسور RTD از پلاتین ساخته می شوند و دماسنج مقاومتی پلاتینیوم یا PRT نامیده می شوند که رایج ترین آنها سنسور Pt100 است که دارای مقاومت استاندارد 100Ω در دمای 0 درجه سانتیگراد است. نکته منفی این است که پلاتین گران است و یکی از معایب اصلی این نوع دستگاه هزینه آن است. نوع دیگر سنسور Pt1000 است که دارای مقاومت استاندارد 100Ω در دمای 0 درجه سانتیگراد است.

آشکارساز دمای مقاومت، سنسوری است که دما را با اندازه‌گیری مقاومت الکتریکی یک فلز  (Electrical Resistance) یا اکسید فلزی (Metal Oxide) اندازه‌گیری و از مشخصه‌ای استفاده می‌کند که مقدار Resistance الکتریکی در اثر دما، دچار تغییرات می گردد.  سوال مهم: آیا امکان افزایش طول RTD ها وجود دارد؟ این کار در برخی مواقع ممکن و در برخی مواقع غیر ممکن است. از هادی های اتصال برای آشکارسازهای دمای مقاومتی استفاده می کنند. اگر به سیم بلند احتیاج دارید، میزان مقاومت در هر 1 متر سیم را بررسی تا از خطا جلوگیری شود.

مانند ترمیستور، سنسور RTD دستگاه های مقاومتی غیرفعال است و با عبور جریان ثابت از سنسور دما، می توان ولتاژ خروجی را به دست آورد که به صورت خطی با دما افزایش می یابد. یک RTD معمولی دارای مقاومت پایه در حدود 100Ω در دمای 0oC است، که در دمای 100oC به حدود 140Ω افزایش می یابد و محدوده دمایی بین 200- تا 600+ درجه سانتی گراد است.

پیکربندی‌های مختلف سیم حسگر که برای RTD استفاده می‌شود، معمولاً 2 سیم، 3 سیم یا 4 سیم. استفاده از دو سیم آرایش ساده ای را فراهم می کند اما از دقت رنج می برد زیرا مقاومت سیم های اتصال را نمی توان از مقدار مقاومت اندازه گیری شده جدا کرد. پیکربندی 3 سیم اجازه می دهد تا دو اندازه گیری جداگانه انجام شود، که اجازه می دهد اثر مقاومت سیم از اندازه گیری مقاومت کل کم شود و یک مقدار مقاومت خالص ارائه شود. پیکربندی 4 سیم امکان اندازه گیری مستقیم امپدانس سنسور را بدون در نظر گرفتن اثر سیم های اتصال می دهد. آرایش پل وتستون معمولاً برای انجام اندازه گیری مقاومت مرتبط با دستگاه های RTD برای تعیین مقادیر دما استفاده می شود.

سنسور PT100

سنسورهای PT100، سنسورهای دما هستند که بر اساس تغییر مقاومت پلاتین تحت تأثیر دما هستند. این ترمیستورها (PTC) نیز شناخته می شوند و برای اندازه گیری دما در محدوده 200- تا 850+ درجه سانتی گراد استفاده می شوند. هر سنسور دارای یک ویژگی مقاومت منحصر به فرد است. سنسور Pt100 با ویژگی های آن در دمای 0 درجه سانتیگراد مشخص می شود که در آن دارای مقاومت اسمی 100 اهم (R0 = 100 اهم) است. این تغییر مقاومت در DIN IEC 60751 مشخص شده است.

سنسور PT1000

سنسورهای PT1000 دومین نوع محبوب دماسنج مقاومتی پلاتین هستند. دماسنج های مقاومتی معمولاً سنسورهای Pt1000 نامیده می شوند، اگرچه در واقعیت ممکن است از نوع Pt1000 نباشند. Pt نشان می دهد که سنسور از پلاتین (Pt) ساخته شده است. 1000 نشان می دهد که سنسور در دمای 0 درجه سانتیگراد دارای مقاومت 1000 اهم (Ω) است. سنسورهای Pt1000 روی سنسورهای Pt100 در دو کاربرد سیمی استفاده می‌شوند زیرا Pt1000 مقاومت سرب را کمتر اهمیت می‌دهد.

سنسور ترمیستور

ترمیستورها می توانند اندازه بسیار کوچکی داشته باشند. آنها از یک عنصر حسگر تشکیل شده اند که می تواند شیشه ای یا اپوکسی پوشش داده و دارای 2 سیم است تا بتوان آنها را به یک مدار الکتریکی متصل کرد. آنها دما را با اندازه گیری تغییر مقاومت جریان الکتریکی اندازه گیری می کنند. ترمیستورها به صورت NTC یا PTC در دسترس هستند و اغلب کم هزینه هستند. ترمیستورها از مواد سرامیکی مانند اکسیدهای نیکل، منگنز یا کبالت با پوشش شیشه ای ساخته شده که به آنها اجازه می دهد به راحتی تغییر شکل دهند.

اکثر ترمیستورها دارای ضریب دمایی منفی (NTC) هستند که به این معنی است که مقاومت آنها با افزایش دما کاهش می یابد. اما تعدادی ترمیستور وجود دارند که دارای ضریب دمایی مثبت (PTC) هستند و با افزایش دما، مقاومت آنها افزایش می یابد.

ترموستات

ترموستات یک سنسور یا سوئیچ دمای الکترومکانیکی از نوع تماسی است که اساساً از دو فلز مختلف مانند نیکل، مس، تنگستن یا آلومینیوم و غیره تشکیل شده است که به یکدیگر متصل شده و یک نوار دو فلزی را تشکیل می دهند. نرخ های مختلف انبساط خطی دو فلز غیرمشابه باعث ایجاد یک حرکت خمشی مکانیکی در هنگام قرار گرفتن نوار در معرض گرما می شود. دو سیم فلزی می تواند خود به عنوان یک کلید الکتریکی یا به عنوان یک روش مکانیکی برای عملکرد کلید الکتریکی در کنترل های ترموستاتیک مورد استفاده قرار گیرد و به طور گسترده برای کنترل عناصر گرمایش آب گرم در بویلرها، کوره ها، مخازن ذخیره آب گرم و همچنین در خودرو استفاده می شود.

ترمومتر

دماسنج ها (ترمومترها)، قدیمی ترین و محبوب ترین نوع سنسورهای دما هستند که در صنعایع و و حتی منازل استفاده می شوند. دماسنج ها انواع مختلفی دارند که یکی از محبوب ترین آنها دماسنج مایع است. این نوع دماسنج از لوله ای تشکیل شده است که معمولاً از شیشه ساخته شده و حاوی مایعاتی مانند الکل یا جیوه است که حجم آن متناسب با دما تغییر می کند. لوله با یک ترازو کالیبره شده است تا دما را مستقیماً در فارنهایت یا سانتیگراد (درجه سانتیگراد) نشان دهد. نوع دیگری از دماسنج از سیم پیچ دو فلزی استفاده می کند که با دیسک سوزنی به پانل جلویی متصل می شود و برای خواندن دما درجه بندی می شود. هر فلزی که در نوار دو فلزی استفاده می شود دارای ضریب انبساط حرارتی متفاوتی با دما است که در نتیجه با تغییر دما سیم پیچ شل شده و سیم پیچ می شود. این حرکت چرخشی سوزن را در مقابل پانل جلویی قرار می دهد تا دمای فعلی را منعکس کند.

لازم به ذکر است که مشهور ترین سنسورهای دما عبارتند از: ترموکوپل، سنسور RTD و ترمسیتور. شرکت مانیاد صنعت رادین آژند به عنوان یک تولید کننده ایرانی، مفتخر است که انواع گوناگون سنسورهای اندازه گیری دما را در ابعاد، اندازه و سایزهای گوناگون به همراه دقت بسیار بالا تولید و برای آن ها گواهی دقت اندازه گیری صادر کند. مانیاد صنعت توانسته در کنار برندهای بزرگی نظیر OKAZAKI، OMEGA و WIKA از لحاظ کیفیت تولید قرار بگیرد.

ملاحظات مهم هنگام انتخاب سنسور دما

هنگام انتخاب سنسور دما برای استفاده در مصارف خود بایستی به موارد زیر توجه کنید:

محدوده دما: سنسورهای اندازه گیری دما می توانند محدوده های مختلفی را اندازه گیری کنند و ممکن است در یک محدوده خاص دقیق تر باشند. مطمئن شوید که محدوده سنسور دما و محدوده مورد انتظار نیاز خود را قبل از خرید بررسی کرده اید. محدوده سنسور دما باید در برگه دیتاشیت موجود باشد.

دقت و ثبات: کاربرد شما ممکن است به درجه خاصی از دقت نیاز داشته باشد. ترموکوپل ها در مقایسه با ترمیستورها و RTD ها واریانس بیشتری در پایداری طولانی مدت دارند، بنابراین باید از آن اطلاع داشت. سنسور دما با بالاترین دقت، ترمیستورهای NTC با پوشش شیشه ای هستند.

فضای نصب: فضای موجود در پروسه فرآیند بر روی نوع سنسور دما انتخاب شده، تأثیر خواهد داشت. اگر فضا محدود باشد، تجهیز کوچکتری مورد نیاز است. نحوه اتصال سنسور دما به برنامه و نحوه اندازه‌گیری دما بسیار بسیار حائز اهمیت است.

کاربردهای سنسور دما در صنعت

سنسورهای دما برای طیف وسیعی از کاربردها بسیار مفید و ضروری هستند. در واقع، حتی ممکن است بیشتر از آنچه فکر می کنید از آنها استفاده کنید! از کاربردهای خانگی گرفته تا مصارف صنعتی. در ادامه به خشی از کرابردهای آن ها اشاره می کنیم:

• کاربردهای صنعتی: نظارت بر ماشین آلات و محیط های مختلف، نیروگاه ها، خطوط تولید.
• کاربردهای علمی و آزمایشگاهی: پایش علم و بیوتکنولوژی.
• کاربردهای پزشکی: نظارت بر بیمار، دستگاه‌های پزشکی، آنالیز گاز، کاتتریزاسیون قلبی با رقیق‌سازی حرارتی، مرطوب‌کننده‌ها، لوله‌های جریان هواکش، دمای مایع دیالیز.
• موتور: گازهای خروجی، دمای هوای ورودی، دمای روغن و دمای موتور اندازه گیری می شود.
• لوازم خانگی: لوازم آشپزخانه (اجاق، کتری و غیره) و همچنین کالاهای سفید.
• برنامه های HVAC: دستگاه های تهویه و تهویه مطبوع گرمایشی یا تجاری یا خانگی.
• صنایع فولاد، نفت، گاز، پالایش و پتروشیمی، شیمیایی، خودروسازی
• ترانزیت: وانت و کامیون های یخچال دار.

مزایای سنسورهای دما عبارتند از:

1. سنسورهای دما دقیق، بسیار قابل اعتماد و هزینه پایینی دارند.
2. سنسورهای دما هم برای کاربردهای تعبیه شده و هم برای کاربردهای سطحی مناسب هستند.
3. آنها جرم حرارتی پایینی را ارائه می دهند و در نتیجه زمان پاسخ سریع را به همراه دارند.
4. سنسور دمای سیم ارتعاشی کاملاً قابل تعویض است. همه سنسورها با یک نشانگر قابل خواندن هستند.
5. سنسورهای دما با نشانگرهایی برای نمایش مستقیم دما در دسترس هستند.
6. کاوشگرهای دما، پسماند و خطی بودن عالی را نشان می دهند.
7. فناوری سیم ارتعاشی پایداری طولانی مدت، خواندن آسان و سریع را تضمین می کند.
8. سنسورهای دما کاملاً مناسب اسکن از راه دور، خواندن و ثبت اطلاعات هستند.

جمع بندی مطلب

سنسورهای دما در زندگی روزمره ما بسیار یافت می شوند، هم در محیط خانه و هم در محیط صنعتی که در آن کار می کنید. سنسورهای دما از دو فلز تشکیل شده اند که با اندازه گیری ولتاژ در پایانه های دیود، ولتاژ یا مقاومت الکتریکی ایجاد می کنند. سنسورهای دما بسته به صنعت یا کاربرد مورد استفاده انواع مختلفی دارند، با این حال، ردیاب ها یا آشکارسازهای دمایی مقاومتی (RTD)، به دلیل اندازه‌گیری‌های بسیار دقیق‌شان محبوب‌ترین هستند.

در این مقاله به دقیق ترین سنسورهای دما و حرارتی پرداخته و انواع آن ها تشریح داده شد. به منظور کسب اطلاعات بیشتر درباره سیم و کابل و سنسور ترموکوپل، سنسور RTD (انواع PT100 و PT1000)، ترموول ابزار دقیق به منبع این مقاله که در ادامه آورده شده است مراجعه کنید.

این مطلب برگرفته از وبسایت مانیاد صنعت (maniadsanat.com) است.