سنسور دما چیست و انواع آن کدام است؟

در این مقاله انواع سنسور دما از جمله ترموکوپل، RTD، ترمیستور و بی متال را بررسی می کنیم. دما یکی از مهم ترین متغیر های قابل اندازه گیری در صنایع است. به عنوان مثال در صورت اندازه گیری نادرست دما در صنعت فولاد، امکان تاثیرات جبران ناپذیری بر کیفیت محصول وجود دارد. به صورت کلی کنترل دما در فرآیند های حساس به دما از جمله کشت باکتری، جوجه کشی و غیره امری ضروری است. جهت اندازه گیری دما از روش های متفاوتی استفاده می شود. برخی از این روش ها عبارت اند از:

• روش تشعشعی یا Pyrometer: در صورت وجود فاصله ی زیاد بین جسم مورد نظر و دستگاه اندازه گیری دما از این روش استفاده می شود. در برخی موارد به دلیل فاصله ی زیاد یا دمای خیلی بالای جسم امکان برقراری ارتباط فیزیکی سنسور نیست. در این شرایط می توان از روش تشعشعی استفاده کرد. این روش به دلیل عدم نیاز به اتصال فیزیکی از نوع بدون تماس یا Non-contact است. این روش در لامپ های UV detector و لامپ های مادون قرمز به کار برده می شود.
• تغییر ابعاد یا انبساط و انقباض: در روش اندازه گیری دما با استفاده از تغییر ابعاد از تجهیزاتی مانند دماسنج جیوه ایی و بی متال استفاده می شود. افزایش دما در دماسنج جیوه ای منجر به انبساط جیوه خواهد شد. بی متال نیز نوعی ترموستات مکانیکی بوده و بر اساس انبساط و انقباض فلزات عمل می کند.
• روش های مبتنی بر تغییرات الکتریکی با استفاده از سنسور دما از جمله ترموکوپل، RTD و ترمیستور: به منظور اندازه گیری دما با روش های مبتنی بر تغییرات الکتریکی از انواع سنسور های دما استفاده می شود. دمای اندازه گیری شده در Monitoring یا Control یک فرآیند کاربرد دارد. هنگام Monitoring و در صورت تجاوز میزان دما از حد معین یک اخطار صادر می شود.

مراحل فرآیند کنترل دما

در فرآیند کنترل دما می توان از انواع کنترلر ها از جمله ترموستات های دیجیتال، PLC و مینی PLC ها استفاده کرد. به صورت کلی فرآیند کنترل دما به شکل حلقه بسته این مراحل را دارد:

1. ابتدا با استفاده از یک سنسور دما میزان دمای محیط اندازه گیری می شود.
2. دمای اندازه گیری شده یا PV به عنوان ورودی وارد کنترل کننده می شود.
3. مقدار PV با دمای ست پوینت یا SV مقایسه می شود. متناسب با الگوریتم کنترل و میزان اختلاف PV و SV سیگنال کنترلی تولید می شود.
4. فرمان لازم یا سیگنال کنترلی تولید شده به عنوان خروجی کنترلر وارد عملگر ها می شود. به عنوان مثال در صورت نیاز به افزایش دما یک هیتر روشن شده و جهت کاهش دمای محیط، یک کولر روشن خواهد شد.

بی متال از دو فلز مختلف تشکیل شده است. این دو فلز بهم چسبیده و یک نوار دو فلزی تحت عنوان بی متال را تشکیل می‌دهند. نوار دو فلزی در مدار الکتریکی مربوط به سیستم گرمایشی یا سرمایشی مانند یک کلید عمل می‌کند. به بیان دیگر باز بودن کلید، موجب خاموش شدن سیستم گرمایشی و بسته بودن آن موجب روشن شدن این سیستم میشود. نحوه عملکرد ترموستات بی متال به این ترتیب است:

1. در حالت عادی کلید بی متال بسته بوده و در نتیجه جریان از آن عبور می کند. در این حالت سیستم گرمایشی روشن خواهد بود.
2. با گرم شدن نوار به دلیل تفاوت در جنس فلز ها یکی از آن ها بیش تر از دیگری منبسط می‌شود. این پدیده موجب خم شدن نوار می شود.
3. با خم شدن نوار مدار باز شده و جریان قطع خواهد شد. نتیجه ی این امر خاموش شدن سیستم گرمایشی و خنک شدن محیط است.
4. پس از کاهش دما و سرد شدن اتاق بی متال از حالت خمیدگی خارج شده و به حالت اولیه خود باز می گردد.
5. برگشت بی متال به حالت عادی موجب وصل مجدد جریان و روشن شدن سیستم گرمایشی می‌شود.

انواع سنسور دما

با توجه به نکات ذکر شده سنسور های دما نقش مهمی در فرآیند کنترل دما دارند. انواع سنسور دما عبارت اند از:
• ترموکوپل یا Thermocouple
• RTD
• ترمیستور یا Thermistor
• IC sensor یا Integrated circuit sensor

سنسور ترموکوپل

سنسور دمای ترموکوپل یکی از مهم ترین ابزار های اندازه گیری دما در محیط های صنعتی است. در سال 1821 یک فیزیک دان آمریکایی اثر ترموالکتریک و Seebeck effect را کشف کرد. در ادامه این پدیده اساس کار ترموکوپل گردید. طبق پدیده ی سیبک، اختلاف دما میان دو رسانای الکتریکی یا نیمه هادی متفاوت باعث ایجاد اختلاف ولتاژ بین این دو ماده می شود. به عبارت دیگر اگر دو فلز متفاوت از یک سر به یکدیگر متصل شده باشند، اختلاف دما بین دو سر آن یک نیروی الکتروموتیو یا Electromotive force (EMF) ایجاد می کند. به صورت کلی یک سنسور دما ی ترموکوپل از دو سیم فلزی غیر هم جنس تشکیل شده که از یک سر به یکدیگر متصل هستند. افزایش دما در این نقطه ی اتصال موجب تولید ولتاژی متناسب با دما در دو سر آزاد سیم ها می شود. نقطه ی اتصال دو فلز Hot junction نام داشته و در محیط مورد نظر جهت اندازه گیری دما قرار می گیرد. انتهای سیم های ترموکوپل Cold junction نامه داشته که به منظور اندازه گیری ولتاژ تولید شده به کنترلر یا اندازه گیر متصل می شوند. در تصویر زیر یک سنسور دمای ترموکوپل تیپ K را مشاهده می کنید.

ترموکوپل ها دارای انواع و تیپ های متفاوتی هستند. به منظور شناسایی انواع ترموکوپل می توان از رنگ آن ها استفاده کرد. قابل ذکر است که این رنگ ها در کشور ها و استاندارد های مختلف یکسان نیستند. رنج دمای قابل اندازه گیری سنسور متناسب با نوع ترموکوپل و محل استفاده ی آن تعیین می شود. تیپ k یکی از پرکاربرد ترین انواع ترموکوپل ها است. در تصویر زیر نمونه ی دیگری از سنسور دمای صنعتی ترموکوپل را مشاهده می کنید:

سنسور دما RTD

یکی از روش های اندازه گیری دما استفاده از سنسور های مقاومتی متغیر با دما است. این سنسور ها بسته به جنس مقاومت آن ها به دو گروه RTD و Thermistor تقسیم می شوند. تفاوت این دو گروه در جنس مقاومت آن هاست. RTD ها مقاومت فلزی حساس به دما بوده و  سیگنال خروجی  آن ها به صورت مقاومتی است. به عبارت دیگر مقاومت این سنسور ها حساس به دما بوده و در اثر حرارت تغییر می کند. این تغییرات به صورت هم جهت بوده و در صورت افزایش دما مقاومت سنسور نیز افزایش پیدا می کند. رابطه ی مقاومت در برابر دما در این سنسور به خوبی شناخته شده و با گذشت زمان قابل تکرار است. در تصویر زیر نمونه ایی از سنسور دمای RTD صنعتی آورده شده است.

RTD ها از نظر نوع سیم بندی به گروه های دو، سه و چهار سیمه تقسیم می شوند. از نظر ساختمان نیز این سنسورها در انواع Thin-film، wire-wound و Coiled element وجود دارند. سنسور PT100 از مهم ترین سنسور دمای RTD است. این سنسور از جنس پلاتین بوده و در دمای 0 درجه مقاومت آن 100 اهم می باشد. تصویر یر یک سنسور PT100 صنعتی را نشان می دهد.

سنسور ترمیستور

همانطور که اشاره شد ترمیستور  یکی از سنسور های مقاومتی در اندازه گیری دما است. ترمیستور از مواد نیمه هادی تشکیل شده و مقاومت آن ها حساس به دما است. اصطلاح thermistor ترکیبی از دو حرف Thermal و Resistor بوده و مخفف عبارت temperature sensitive resistors می باشد. به عبارت دیگر  کلمه ی ترمیستور با ترکیب عبارت های حرارتی و مقاومت ساخته شده است.

ترمیستور از اکسید های فلزی ساخته شده و در اشکال مختلف مهره، دیسک یا استوانه تولید می شود. ترمیستور ها سنسور های نسبتا ارزان و مقاوم بوده و پاسخ آن ها به تغییرات دما قابل پیش بینی است. ترمیستور ها در انواع NTC و PTC تولید می شوند. NTC مخفف Negative Temperature Coefficient بوده و دارای ضریب دمایی منفی می باشد. به عبارت دیگر مقاومت سنسور NTC با افزایش دما کاهش پیدا می کند. PTC مخفف عبارت Positive Temperature Coefficient بوده و ضریب دمایی آن مثبت است. در سنسور PTC با افزیش دما، مقاومت افزایش پیدا می کند. در تصویر زیر نمونه ایی از سنسور NTC را مشاهده می کنید:

IC sensor

IC مخفف Integrated circuit بوده و به معنی مدار مجتمع است. جهت کاهش ضعف های موجود در سنسور دمای ترموکوپل، ترمیستور و RTD می توان از مدارات جبران ساز استفاده کرد. از مزایای IC sensor ها می توان به قیمت مناسب آن ها اشاره کرد. برخی از معایب آن ها رنج دمای محدود، نیاز به منبع تغذیه و پدیده ی خود گرمایی است. LM35 یکی از رایج ترین سنسور های مدار مجتمع است. خروجی این سنسور یک سیگنال آنالوگ متناسب با دمای لحطه ای می باشد. با تفسیر این ولتاژ خروجی به راحتی می توان دمای محیط را محاسبه کرد. تصویر زیر شماتیک یک سنسور دمای LM35 را نشان می دهد.

نکات مهم در انتخاب سنسور دما

به صورت کلی هنگام انتخاب یک سنسور دما باید 4 فاکتور زیر را در نظر بگیریم:

1. رنج و محدوده ی دمای کاری سنسور: به عنوان مثال برای اندازه گیری دمای 1100 درجه سلسیوس نمی توان از سنسوری با رنج دمای -50 تا 250 درجه سلسیوس استفاده کرد.
2. پایداری یا Stability: پایداری یکی از نکات مهم در برنامه ها و کاربرد هایی با هدف بلند مدت است.
3. دقت یا Accuracy: در صورت تغییرات کوچکی در دما، تغییرات بزرگی در مقاومت ترمیستور NTC ایجاد می شود. به همین دلیل این سنسور از دقت نسبتا بالایی برخوردار است. همانطور که در مقاله ترموکوپل اشاره شد، در صورت تغییر دما در خروجی ترموکوپل ولتاژی در حد چند میلی ولت تولید می شود. به عبارت دیگر با تغییر دما، خروجی سنسور ترموکوپل در حد میلی ولت تغییر می کند. با توجه به این تغییرات کوچک می توان دریافت که سنسور ترموکوپل دقت نسبتا کمتری دارد.
4. کاربرد: ترمیستور های NTC سنسور دمای دقیق و نسبتا پایداری هستند. از این سنسورها معمولا در برنامه هایی مانند آشکارساز های آتش و دما سنج ها استفاده می شود. ترموکوپل ها در محیط های صنعتی بیشتر به کار می روند. این سنسورها دوام بیشتر و هزینه ی تولید کم تری دارند.

مقایسه ی ترمیستور و ترموکوپل

پارامتر سنجش یکی از مهم ترین تفاوت ها میان ترموکوپل و ترمیستور است. همانطور که می دانید خروجی سنسور ترموکوپل از نوع سیگنال ولتاژی می باشد. به عبارت دیگر در ترموکوپل با تغییر دمای نقطه ی اتصال یا Hot junction اختلاف ولتاژی در انتهای Cold junction تولید می شود. در طرف مقابل ترمیستور یک مقاومت حساس به دما بوده که مقاومت آن، پارامتر سنجش دما است. هر دو سنسور ترموکوپل و ترمیستور دستگاه سنجش دما با اصول عملکرد متفاوت هستند. در ترمیستور، تغییرات دما موجب تغییر در مقاومت ماده ی سازنده می شود در حالی که در ترموکوپل تغییر دما موجب ایجاد ولتاژ خواهد شد. به صورت کلی برخی از تفاوت های میان ترمیستور و ترموکوپل عبارت اند از:

• ترموکوپل از فلز یا آلیاژ های فلزات ساخته شده است. ترمیستور توسط نیمه هادی یا اکسید های منیزیم، نیکل و کبالت ساخته می شود.
• ترموکوپل نسبت به ترمیستور دقت بالایی دارد.
• محدوده ی اندازه گیری دما در ترمیستور کمتر از ترموکوپل است.
• ترمیستور ها در مقایسه با ترموکوپل ها پاسخ سریع تری دارند.
• ترمیستور بر خلاف ترموکوپل نیاز به منبع تغذیه ی خارجی دارد.

مقایسه ی ترمیستور و RTD

ترمیستور و RTD هر دو دستگاه اندازه گیری دما هستند. تفاوت عمده بین RTD و ترمیستور در جنس مواد سازنده ی آن ها است. سنسور دمای RTD از جنس فلز بوده در حالی که ترمیستور ها از مواد نیمه هادی ساخته شده اند. همانطور که شرح داده شده ترمیستورها دارای ضریب دمایی مثبت و منفی هستند ولی اکثر ترمیستور ها دارای ضریب دمایی منفی  می باشند. به عبارت دیگر در این سنسور ها با افزایش دما، مقاومت کاهش پیدا می کند. ضریب آلفا در RTD ها مثبت بوده و مقاومت آن ها با افزایش دما بیشتر خواهد شد.

مقایسه ی RTD و ترموکوپل

سنسور های RTD و ترموکوپل هر دو دارای مزایا و معایب خاص خود هستند. این سنسورها در مدل های بسیار متنوعی تولید شده و کاربردهای متفاوتی دارند. برخی از معایب سنسور RTD در مقایسه با ترموکوپل شامل قیمت بالاتر و زمان پاسخ گویی بیشتر است. مقایسه ی دو سنسور RTD و ترموکوپل را در جدول زیر مشاهده می کنید: