قبل از پاسخ به سوال : سنسور دما چیست؟ بیایید ابتدا تعریف دما را بیاموزیم.
تعریف دما
دما معیار گرمی یا سردی یک جسم است. دما را می‌توان بر حسب واحدهای متریک یا واحدهای مرسوم ایالات متحده اندازهگیری کرد. برای اندازهگیری دما می‌توانیم از دماسنج‌هایی استفاده کنیم که هم مقیاس سلسیوس (°C) و هم مقیاس فارنهایت (°F) دارند.
سنسور دما چیست؟
سنسور دما المانی‌ست که برای اندازهگیری دما استفاده می شود. این اندازهگیری می‌تواند دمای هوا، دمای مایع یا دمای ماده جامد باشد. انواع مختلفی از سنسورهای دما وجود دارند و هر کدام از آنها از فناوری‌ها و اصول متفاوتی جهت اندازهگیری دما استفاده می‌کنند.
از سنسور دما برای اندازهگیری مقدار انرژی تولید شده به شکل گرما یا سرما توسط اشیاء یا سیستم‌ها استفاده می‌شود. هر سنسور این قابلیت را دارد تا هر گونه تغییر اندازه در انرژی یاد شده را تشخیص دهد و خروجی دیجیتال یا آنالوگ تولید کند. سنسورهای دما در کاربردهای مختلف شامل اعلام حرارت محیط، صنایع غذایی، کنترل تهویه، تجهیزات پزشکی، کنترل فرآیندهای شیمیایی و … استفاده می‌شوند.در واقع آنها با اندازهگیری دما مشخص می‌کنند که یک فرآیند در چه وضعیتی است؛ استفاده از دستگاه امن است یا در نقطه خطر قرار دارد. انواع بسیار زیاد سنسورهای دما با توجه به کاربردها و ویژگی‌هایشان در دسترس هستند. سنسورهای دما به دو صورت دما را اندازهگیری می‌کنند؛ تماس مستقیم با جسم ( سنسور دما تماسی ) و بدون تماس با جسم ( سنسور دما غیر تماسی ).
انواع سنسور دما
حسگرهای دما به 2 دسته کلی تقسیم می‌شوند:
سنسور دما تماسی
سنسور دما غیر تماسی
سنسور دما تماسی
در یک سنسور دما تماسی (Contact Temperature Sensor)، تماس فیزیکی با شی مورد نظر وجود دارد و برای مشاهده تغییر در حرارت از هر گونه تغییر در هدایت گرمایی بهره گرفته می‌شود. این سنسور برای هر نوع ماده از قبیل جامد، مایع و گاز با محدوده حرارتی زیاد استفاده می‌شود.
انواع سنسورهای دمای تماسی
سنسورهای دمای تماسی انواع مختلفی چون ترموکوپل‌ها، ترمیستورها و سنسوهای دمای مقاومتی یا همان RTD ها دارند که به هریک به صورت مفصل در مقاله ای مجزا پرداخته شده است. اما در این مقاله نیز اشاره‌ای کوتاه برای درک تفاوتشان خواهیم داشت :
ترموکوپل چیست؟
ترموکوپل 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 ترموکوپل ظاهر می‌شود. ترموکوپل‌ها 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.
ترمیستور چیست؟
ترمیستورها همانند ترموکوپل‌ها، ارزان، فراوان و به سادگی قابل استفاده هستند. ترمیستورها از مواد نیمه رسانایی ساخته شده‌اند که مقاومتشان نسبت به دما حساس است.
ترمیستورها با حسگرهای مقاومتی متفاوت هستند. در ساخت مقاومت‌های گرمایی از فلز خالص استفاده می‌شود و پاسخ دمایی‌شان نیز متفاوت 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.
RTD چیست؟
آشکارسازهای دمایی مقاومتی (Resistance Temperature Detectors)، حسگرهای دمایی هستند که مقاومتشان همزمان با تغییرات دما، تغییر می‌کند. (مثل سنسور دما مقاومتی PT100 کلاس A سه سیمه در شکل بالا) دقیق، پایدار و قابلیت تکرارپذیری، سبب شده است که از این حسگرهای دما در بسیاری از دماهای کاری استفاده شود.
RTD ها نسبت به ترموکوپل‌ها 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.
جدول مقایسه سنسورهای دمای تماسی
|
|
مزایا
|
معایب
|
|---|---|---|
|
ترموکوپل
|
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
|
سنسور دما غیرتماسی
حسگرهای دمای غیر تماسی (Non-Contact Tempreture Sensors)، بدون تماس مستقیم و با اندازهگیری حرارت تابشی جسم، دمای آن را اندازهگیری می‌کنند. از سنسورهای دمای غیر تماسی برای اندازهگیری دما از یک فاصله و معمولا در محیط‌های پر خطر استفاده می‌شود. مانند سنسور دمای مادون قرمز که در سال 2020، زمانی که کووید-19 در جهان همه‌گیر شد، از آنها برای اندازهگیری دمای بدن افراد استفاده شد تا در صورت مشاهده علایم تب، از ورود آنها به مکان‌های انتقال احتمالی جلوگیری کنند. انواع مختلفی از دستگاه های سنجش دمای مادون قرمز، هم به صورت قابل حمل و دستی و هم به صورت نصب‌شده در مکان ثابت وجود دارند.
سنسور دما نیمه رسانا
دسته دیگری از سنسورهای دما به نام سنسورهای دمای نیمه هادی (Semiconductor Temperature Sensors) وجود دارند که که در دو دسته بالا (تماسی و غیر تماسی) نمی‌گنجند. 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.
سنسورهای دمای نیمه‌هادی المان‌هایی هستند که به شکل مدارهای مجتمع (IC) یعنی آیسی ها تولید می‌شوند، از این رو به عنوان سنسورهای دمای آی سی شناخته می‌شوند و محبوب ترین آنها عبارتند از AD590 و LM35.
