سنسور دما – به زبان ساده

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.

شکل زیر ساختار یک ترموستات دو فلزی را نشان می‌دهد.

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

فیلم آموزش الکترونیک 3 – جامع و با مفاهیم کلیدی در فرادرس

کلیک کنید

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.

مثال ۱

حل: در دمای $$25^\circ \text{C}$$ داریم:

$$\large V _ {out} = \frac { R _ 2 } { R _ 1 + R _ 2 } V = \frac { 1000 } { 10000 + 1000 } \times 12 = 1.09 \, \text {V}$$

در دمای $$100^\circ \text{C}$$ نیز می‌توان نوشت:

$$\large V _ {out} = \frac { R _ 2 } { R _ 1 + R _ 2 } V = \frac { 1000 } { 100 + 1000 } \times 12 = 10.9 \, \text {V}$$

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.

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.

ترموکوپل

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.

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

اگر این مطلب برای شما مفید بوده است، آموزش‌های زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

• آموزش برنامه نویسی آردوینو (Arduino) با متلب (MATLAB)
• اپتوکوپلر (Optocoupler) چیست؟ — به زبان ساده
• IGBT چیست؟ — به زبان ساده
• سنسور فاصله سنج | عملکرد، انواع و مدار عملی — به زبان ساده

^^