حسگر( سنسور) دما
حسگرهای دما در کاربردهای متنوعی همچون صنایع غذایی، کنترل تهویه، تجهیزات پزشکی، کنترل فرآیندهای شیمیایی و … استفاده می‌شود. حسگرهای دما با اندازه‌گیری گرما مشخص می‌کنند که یک فرآیند در چه وضعیتی است؛ استفاده از دستگاه امن است یا در نقطه خطر قرار دارد.
حسگرهای دما به دو صورت دما را اندازه‌گیری می‌کنند؛ تماس مستقیم با جسم و بدون تماس با جسم. حسگرهای تماسی شامل ترموکوبل و ترمیستور می‌شود که برای اندازه‌گیری دمای جسم، با آن در تماس مستقیم هستند، و حسگرهای غیر تماسی، با اندازه‌گیری حرارت تابشی جسم، دمای آن را اندازه‌گیری می‌کنند. از حسگرهای غیر تماسی برای اندازه‌گیری دما از یک فاصله و معمولا در محیط‌های پر خطر استفاده می‌شود.
حسگرهای دما به چهار دسته تقسیم می‌شوند: ترموکوبل، ترمیستور، مقاومت‌های حساس به دما و حسگرهای نیمه‌هادی.
ترموکوبل:
ترموکوبل اتصال دو فلز ناهمگون است. یک اتصال به عنوان مرجع دما و دیگری دمای اندازه‌گیری شده است. بالا رفتن دمای نقطه اتصال دو فلز، به صورت ولتاژ در دو سر ترموکوبل ظاهر می‌شود. ترموکوبل‌ها به خاطر ارزانی، با دوامی و قابلیت اطمینان، عدم نیاز به تغذیه و استفاده در رنج وسیعی از دماها، کاربرد فراوان دارند. نقاط قوت و چالش‌های این حسگرها عبارتند از:
- دمای خودشان را اندازه می‌گیرند
- دمای اجسام باید تخمین زده شود و کاربر مطئن شود جریان حرارتی بین این دو برقرار نیست.
- پس از استفاده طولانی مدت، در خواندن دما دچار خطا می‌شوند.
- رسانای الکتریسیته هستند، بنابراین نمی‌توانند به منبع الکتریسیته دیگری متصل شودند.
- در نقطه اتصال نمی‌توانند اندازه‌گیری کنند.
- نسبت به ترمیستورهای حرارتی واکنش سریع‌تری دارند
شکل ۱: ترموکوبل
ترمیستور( مقاومت گرمایی)
ترمیستورها همانند ترموکوبل‌ها، ارزان و فراوان هستند و به سادگی قابل استفاده هستند. ترمیستورها از مواد نیم‌رسانایی ساخته شده‌اند که مقاومتشان نسبت به دما حساس است.
ترمیستورها با حسگرهای مقاومتی[۱] متفاوت هستند. در ساخت مقاومت‌های گرمایی از فلز خالص استفاده می‌شود و پاسخ دمایی‌شان نیز متفاومت است. ترمیستورها به دو دسته تقسیم می‌شوند: ضریب K مثبت و ضریب K منفی. اگر K مثبت باشد، مقاومت با افزایش دما افزایش می‌یابد و اگر منفی باشد، با افزایش دما، مقاومت کاهش می‌یابد. به ترمیستورهایی با ضریب K مثبت، PTC و به ترمیستورهایی با ضریب K منفی، NTC می‌گویند.
از ترمیستورها در محدودکننده‌های جریان هجومی، حسگرهای دما، محافظ‌های اضافه جریان و عناصر گرمایی خود تنظیم، استفاده می‌شود.
آشکارسازهای دمایی مقاومتی[۲]
آشکارسازهای دمایی مقاومتی، حسگرهای دمایی هستند که مقاومتشان هم‌زمان با تغییرات دما، تغییر می‌کند. دقیق، پایدار و قابلیت تکرارپذیری، سبب شده است که از این حسگرهای دما در بسیاری از دماهای کاری استفاده شود.
RTD ها نسبت به ترموکوبل‌ها دقت بیشتری دارند و به سادگی قابل تعویض هستند. همچنین در طی طول عمر خود پایدار هستند. برای بهبود پایداری این حسگرها، از پلاتین در ساخت آن‌ها استفاده می‌شود.
حسگرهای نیمه رسانا
حسگرهای دمایی نیمه رسانا، در یک مدار مجتمع قرار می‌گیرند. این حسگرها از دو دیود یکسان با مشخصه ولتاژ به جریان حساس به دما، ساخته شده‌اند و برای نظارت دمایی استفاده می‌شوند. دارای پاسخ خطی هستند اما دقتشان پایین است.
در جدول زیر مقایسه‌ای بین انواع مختلف حسگرهای دمایی صورت گرفته است.
|
|
مزایا |
معایب |
|
ترموکوبل |
ساده، محکم، ارزان، بدون نیاز به تغذیه، محدوه دمایی وسیع، شکل‌های مختلف |
پاسخ غیر خطی، حساسیت کوچک، ولتاژ خروجی کم، نیاز به نقطه مرجع، پایداری کم |
|
RTD |
بسیار پایدار، پاسخ خطی مناسب، دقیق |
حساسیت کم، تغذیه خارجی، هزینه بر، مقاومت خروجی کوچک، خطای خود گرمایی |
|
ترمیستور |
سریع، خروجی بزرگ، خطای مقاومتی کم پایه‌ها |
محدوده دمایی محدود، تغذیه خارجی، غیر خطی، بسیار شکننده، خطای خود گرمایی |
[۱] Resistance Temperature Detectors( RTD)
[۲] RTD