سنسور دما

برای اندازه گیری دما نیاز به سنسور دما میباشد که با توجه به رنج و نحوه اندازه گیری دما از سنسور های دمای مختلفی استفاده میگردد . سنسورهای دما به چند دسته کلی تقسیم میگردند که در زیر به آنها اشاده گیریده است :

1- silicon bandgap temperature sensor

از این نمونه سنسورهای دمای سیلیکونی که از به خاطر ماهیت ثبات سیلیکون متبلور از ثبات خوبی برای اندازه گیری دمای محیط برخوردار میباشند بیشتر در تجهیزات الکترونیکی استفاده میشوند و با قیمت بسیار پائین برای مصارف گوناگون در رنج دمائی منفی 30 تا 125 درجه سانتیگراد با دقت یک تا دو درجه مورد استفاده قرار میگیرند و به ازای هر درجه افزایش خروجی میلی ولتی آنها افزایش پیدا میکند .

2-Thermistors

ترمیستورها یکی دیگر از سنسورهای دمائی رایج و ارزان میباشند که بر اساس تغییر مقاومت مواد سرامیکی و پلیمری ساخته شده اند و به دو گروه PTC و NTC دسته بندی میشوند .

مقاومت ترمیستور یا سنسور دمائی PTC با افزایش دما بیشتر و در ترمیستورهای NTC کاهش میابد . محدوده دمائی سنسور دمائی ترمیستور از منفی 90 تا 130 درجه میتواند باشد و در بیشتر سردخانه ها از NTC استفاده میگردد .

Resistance temperature detectors (RTDs) یا Thermo Resistance

ترمورزیستنس یا RTD نمونه صنعتی تری از سنسورهای دما دقیق میباشند که در صنعت به صورت گسترده مورد استفاده قرار میگیرند . با اینکه مکانیزم اندازه گیری دما در ترمورزیسنسها با ترمیستورها یکی میباشد و بر اساس تغییرات مقاومت در برابر تغییرات دما کار میکنند ولی ترمورزیتنسهای از سیمهای موئی بسیار نازک فلزات با خلوص بالا نظیر پلاتینم ‏، نیکل ، و مس ساخته میشوند و دارای دقت بیشتر و رنج وسیعتری میباشند .

• این سیمهای نازک معمولا بر روی قطعه ای سرامیکی و یا شیشه ای پیچیده شده اند و به خاطر موئی بودن سیمهای بایستی روی آنها به وسیله مواد پوشید گردد . معروفترین نمونه سنسورهای دمائی RTD در صنعت PT100 میباشد که با ضریب دمائی مثبت در صفر درجه سانتیگراد از خود 100 اهم مقاومت نشان میدهد و با افزایش دما به صورتی قابل پیشبینی و خطی مقاومت افزایش میابد .

Thermocouple

ترموکوپل مهمترین سنسور دمائی صنعتی است و با توجه به مکانیزم ساده و پوشش رنج وسیعی از گستره دمائی بسیار در صنعت پر کاربرد است . اساس کار ترموکوپل تولید ولتاژ در محل اتصال دو فلز متجانس در اثر گرمایش است . سرعت عکس العمل بالا و دقت قابل قبول از و همچنین امکان اندازه گیری دماهای بالا تا 1700 درجه از دلایل عمده استفاده از ترموکوپل در صنایع مختلف میباشد .

سنسور دمائی ترموکوپل در تایپ های K , T , J , E , R , S , B رایج تر میباشند و بسته به رنج اندازه گیری از آلیاژهای مختلف مورد ساخته و کالیبره میشوند .

Infrared temperature sensor

سنسور دمای اینفرارد نظیر ترمومتر اینفرارد یا صورت غیرتماسی و با تابش گرمائی که اصطلاحا تابش جسم سیاه نامیده میشود کار میکنند .از آ‌ن جائی که برای هدفگیری جسمی که میخواهید دمای آن را اندازه گیری کنیم در فاصله زیاد باید از پرتو لیزر استفاده نمود اصطلاحاً این سنسور های دمائی را لیزری نیز میگویند از مزایای این سنسورهای سرعت عکس العمل بسیار بالا و قابلیت استفاده برای دماهای بسیار بالا میتوان نام برد .

انواع سنسور دما

ترمیستور

• به مقاومت های حساس به دما که از مواد نیمه هادی ساخته می شود، ترمیستور (thermistor) می گویند که این کلمه مخفف عبارت temperature sensitive resistors است. در ترمیستور مقاومت الکتریکی با دما به طور غیر خطی تغییر می کند. رنج دمای آن 70- تا 150 و نهایتا 316 درجه سانتیگراد می باشد.
• در اکثر کاربردها مقاومت آن در دمای 25 درجه سانتیگراد بین 100 تا 100 کیلو اهم می باشد.
• نماد الکتریکی ترمیستور در شکل روبرو آورده شده است.

انواع ترمیستور

ترمیستورها به دو دسته ضریب دمایی منفی NTC (Negative Temperature Coefficient) و ضریب دمایی مثبت PTC (Positive Temperature Coefficient) تقسیم می شوند. در NTC با افزایش دما مقاومت ترمیستور کاهش می یابد و در PTC با افزایش دما مقاومت آن افزایش می یابد. اغلب ترمیستورهای موجود و کاربردی NTC هستند. ترمیستورها در اشکال مختلفی ساخته می¬شوند که رایجترین آن ها، دیسکی، مهره ای و میله ای است که در شکل زیر نمونه ای از آنها آورده شده است:

مزایای ترمیستور

اندازه کوچک، پاسخ سریع, حساسیت بسیار بالا

معایب :

غیر خطی، محدوده دمایی کم، شکننده، مقاومت بالا و مشکلات نویز، ناپایداری و کالیبره نبودن
شکل زیر غیر خطی بودن یک NTC نشان می دهد :

scan1

کاربرد ها :

با توجه به هزینه کم و حساسیت بالای ترمیستورها، اغلب برای تشخیص وضعیت های آلارم فرایند از ترمیستورها استفاده می شود؛ مانند دمای سیم پیچ موتورها، دمای یاتاقان ها و….

پارامتر های مهم برای انتخاب ترمیستور :

1
•نوع ترمیستور : NTC یا PTC
•مقاومت به طور مثال 1 کیلو اهم
•شکل ظاهری : دیسکی، مهره ای یا میله ای
•رنج دمایی که بیشترین رنج -73 to 316°C می باشد
•خطا بطور مثال : R25=100KΩ ±5%

“ترمیستور” به چه معنی است؟
ترمیستورها که از اصطلاح مقاومت حساس thermaIly گرفته می شوند ، یک سنسور بسیار دقیق و مقرون به صرفه برای اندازه گیری دما هستند. در 2 نوع ، NTC (ضریب دمای منفی) و PTC (ضریب دمای مثبت) موجود است ، ترمیستور NTC است که معمولاً برای اندازه گیری دما استفاده می شود.

ترمیستورها در دو نوع موجود است : کسانی که دارای ضرایب دمای منفی (ترمیستورهای NTC) و آنهایی که دارای ضرایب دمای مثبت هستند (ترمیستورهای PTC). مقاومت ترمیستورهای NTC با افزایش دمای آنها کاهش می یابد ، در حالی که مقاومت ترمیستورهای PTC با افزایش دما آنها افزایش می یابد. فقط ترمیستورهای NTC معمولاً در اندازه گیری دما مورد استفاده قرار می گیرند.

ترمیستورها از مواد با مقاومت شناخته شده تشکیل شده اند. با افزایش دما ، مقاومت ترمیستور NTC به دنبال “منحنی” خاص ، به صورت غیرخطی افزایش می یابد. شکل این منحنی مقاومت در برابر دما منحصر به فرد با توجه به خواص مواد تشکیل دهنده ترمیستور تعیین می شود.

ترمیستورها با انواع مقاومت پایه و مقاومت در برابر منحنی دما در دسترس هستند. کاربردهای درجه حرارت پایین (-55 تا تقریبا 70 درجه سانتیگراد) معمولاً از ترمیستورهای مقاومت کم 2252 تا 10،000Ω استفاده می کنند). کاربردهای درجه حرارت بالاتر معمولاً از ترمیستورهای مقاومت بالاتر (بالاتر از 10،000Ω) استفاده می کنند. بعضی از مواد پایداری بهتری نسبت به سایرین دارند. مقاومتها معمولاً در 25 درجه سانتیگراد (77 درجه فارنهایت) مشخص می شوند. دماسنجها در حدود 2/0 درجه سانتی گراد در محدوده دمای مشخص شده خود دقیق هستند. آنها معمولاً با دوام ، ماندگار و ارزان هستند.

ترمیستورها اغلب برای کاربردهایی انتخاب می شوند که ناهمواری ، قابلیت اطمینان و پایداری در آن مهم باشد. آنها برای استفاده در محیط هایی با شرایط شدید و یا در جایی که صدای الکترونیکی وجود دارد ، مناسب هستند. شکل های مختلفی در دسترس هستند: شکل ایده آل برای یک کاربرد خاص به این بستگی دارد که آیا ترمیستور در یک سیستم نصب شده یا در سیستم نصب خواهد شد و به نوع مواد اندازه گیری شده بستگی دارد.

ترمیستورهای دارای پوشش اپوکسی برای استفاده در دماهای پایین تر (معمولاً -50 تا 150 درجه سانتیگراد (-58 تا 316 درجه فارنهایت)) در دسترس هستند. ترمیستورها همچنین با روکش های شیشه ای برای استفاده در دماهای بالاتر [به طور معمول -50 تا 300 درجه سانتیگراد (-58 تا 572 درجه فارنهایت)] در دسترس هستند. این پوشش ها از ترمیستور و سیم های اتصال آن در برابر رطوبت ، خوردگی و فشار مکانیکی محافظت می کنند.

تنظیمات ترمیستور :
ترمیستورها در چندین تنظیمات متداول در دسترس هستند. سه مورد که اغلب مورد استفاده قرار می گیرند ترمیستور انعطاف پذیر فاقد مهر و موم شده (سری HSTH) ، نوع پیچ / واشر و نوع چسبنده سطح هستند.

ترمیستورهای HSTH کاملاً درون محفظه های PFA (پلیمری پلاستیکی) محکم شده اند تا عنصر سنجش را در برابر رطوبت و خوردگی محافظت کنند. آن ها می توانند برای اندازه گیری درجه حرارت مایعات از روغن ها و مواد شیمیایی صنعتی گرفته تا مواد غذایی استفاده شوند.

ترمیستورهایی که دارای سنسور پیچ و مهره ای هستند ، می توانند در سوراخ ها یا دهانه های دارای اندازه استاندارد نصب شوند. جرم حرارتی کوچک آنها را قادر می سازد به سرعت در برابر تغییرات دما پاسخ دهند. آنها در بسیاری از برنامه ها از جمله لوازم خانگی ، مخازن آب ، لوله ها و ظروف تجهیزات استفاده می شوند.

ترمیستورهای سطح نصب شده دارای قسمت های خارجی چسب هستند که به راحتی در سطوح صاف یا منحنی می توانند در جای خود قرار گیرند. آنها را می توان حذف و دوباره استفاده کرد و چندین کاربرد تجاری و صنعتی دارد.

دامنه دما ، دقت و پایداری ترمیستور :
ترمیستورها بسیار دقیق هستند (از 5 0.05 درجه سانتی گراد تا 1.5 درجه سانتیگراد) ، اما تنها در یک محدوده دمای محدود که در حدود 50 درجه سانتیگراد درجه حرارت پایه است. دامنه دمای کار برای بیشتر ترمیستورها بین 0 تا 100 درجه سانتی گراد است. ترمیستورهای کلاس A بیشترین دقت را ارائه می دهند ، در حالی که ترمیستورهای کلاس B می توانند در سناریوهایی که نیاز به اندازه گیری دقیق کمتری دارند مورد استفاده قرار گیرند. پس از اتمام مراحل تولید ، ترمیستورها از نظر شیمیایی پایدار هستند و دقت آنها با افزایش سن تغییر نمی کند.

کاربرد ترمیستورها :
ترمیستورها برای اندازه گیری دمای سطوح ، مایعات و گازهای محیطی در طیف گسترده ای از کاربردهای تجاری و صنعتی به کار می روند. هنگامی که در کاوش های محافظتی که قابل اطمینان باشد از بین می رود ، آنها در صنایع غذایی و آشامیدنی ، آزمایشگاه های علمی و تحقیق و توسعه استفاده می شوند. ترمیستورهای سوار شده با پروب سنگین برای غوطه وری در مایعات خورنده مناسب هستند و می توانند در فرآیندهای صنعتی مورد استفاده قرار بگیرند ، در حالی که از مونتاژهای ترمیستور با وینیل با استفاده از محیط بیرون یا برای کاربردهای بیولوژیکی استفاده می شود. ترمیستورها همچنین برای اندازه گیری دمای هوا با روکش فلزی یا پلاستیکی از جنس قفس در دسترس هستند.

ترمیستور چگونه دما را می خواند ؟
یک ترمیستور در واقع چیزی را نمی خواند ، در عوض مقاومت ترمیستور با دما تغییر می کند. چه مقدار مقاومت در آن تغییر می کند بستگی به نوع ماده استفاده شده در ترمیستور دارد.
برخلاف سنسورهای دیگر ، ترمیستورها غیرخطی هستند ، به این معنی که نقاط موجود در نمودار نشانگر رابطه بین مقاومت و دما خط مستقیمی نخواهد بود. محل ساخت خط و میزان تغییر آن با ساخت ترمیستور مشخص می شود. نمودار ترمیستور معمولی به این شکل است.

log graph1

چگونه یک THERMISTOR در یک سیستم کنترل شده کار می کند؟
کاربرد اصلی ترمیستور برای اندازه گیری دمای یک دستگاه است. در یک سیستم کنترل دما ، ترمیستور یک قطعه کوچک ، اما مهم از یک سیستم بزرگتر است. یک کنترل کننده دما دمای ترمیستور را کنترل می کند. سپس به یک بخاری یا کولر می گوید چه موقع روشن یا خاموش شود تا دمای سنسور حفظ شود.
در نمودار زیر ، برای نشان دادن یک سیستم نمونه ، سه مؤلفه اصلی برای تنظیم درجه حرارت یک دستگاه مورد استفاده قرار گرفته است: سنسور دما ، کنترل کننده دما و دستگاه Peltier (که در اینجا با عنوان TEC یا کولر ترموالکتریک شناخته شده است). سر سنسور به صفحه خنک کننده متصل شده است که برای خنک کردن دستگاه باید دمای خاصی را حفظ کند و سیم ها به کنترلر دما وصل می شوند. کنترل کننده دما نیز بصورت الکترونیکی به دستگاه Peltier متصل شده است که دستگاه مورد نظر را گرم و سرد می کند. هیت سینک برای کمک به اتلاف گرما به دستگاه Peltier وصل شده است.

thermistorcontrol

سیستم کنترل شده ترمیستور :
کار سنسور دما ارسال بازخورد دما به کنترل دما است. این سنسور مقدار کمی جریان دارد که از طریق آن جریان دارد به نام جریان بایاس (جریان تعصب) که توسط کنترل دما ارسال می شود. کنترلر نمی تواند مقاومت را بخواند ، بنابراین باید با استفاده از یک منبع جریان ، تغییرات مقاومت را به تغییرات ولتاژ تبدیل کند تا یک جریان تعصب را در سراسر ترمیستور اعمال کند تا یک ولتاژ کنترل تولید کند.

کنترل کننده دما اپراتور این عمل است. اطلاعات سنسور را می گیرد ، آن را با آنچه واحد مورد نیاز برای خنک شدن است (به نام setpoint) مقایسه می کند و جریان را از طریق دستگاه Peltier تنظیم می کند تا دما را تغییر دهد تا مطابق با نقطه تنظیم باشد.

محل قرارگیری ترمیستور در سیستم هم بر پایداری و هم در دقت سیستم کنترل تأثیر می گذارد. برای رسیدن به بهترین ثبات ، ترمیستور باید تا حد امکان در نزدیکی بخاری ترموالکتریک یا مقاومت قرار گیرد. برای بهترین دقت ، ترمیستور باید نزدیک دستگاهی باشد که نیاز به کنترل دما داشته باشد. در حالت ایده آل ، ترمیستور در دستگاه تعبیه شده است ، اما می تواند با استفاده از خمیر یا چسب حرارتی رسانا نیز به آن وصل شود. حتی اگر دستگاه تعبیه شده باشد ، باید شکاف های هوا را با استفاده از خمیر حرارتی یا چسب از بین برد.

دماسنج مقاومتی

دماسنج مقاومتی (Resistance Temperature Detector) که به عنوان سنسور RTD هم شناخته می‌شود، از پرمصرف‌ترین تجهیزات اندازه‌گیری دما در صنعت به حساب می‌آید. اساس کار این تجهیز بدین صورت است که تحت تأثیر دما، مقاومت الکتریکی آن تغییر می‌کند. اولین دماسنج مقاومتی با استفاده از سیم مسی، یک عدد باتری و یک گالوانومتر در سال ۱۸۶۰ ساخته شد.

سرویس آموزش و آزمون برق نیوز، دماسنج مقاومتی (Resistance Temperature Detector) که به عنوان سنسور RTD هم شناخته می‌شود، از پرمصرف‌ترین تجهیزات اندازه‌گیری دما در صنعت به حساب می‌آید. اساس کار این تجهیز بدین صورت است که تحت تأثیر دما، مقاومت الکتریکی آن تغییر می‌کند. اولین دماسنج مقاومتی با استفاده از سیم مسی، یک عدد باتری و یک گالوانومتر در سال ۱۸۶۰ ساخته شد. مخترع آن، «کارل ویلهلم زیمنس» (Carl Wilhelm Siemens) بعد‌ها متوجه شد که استفاده از پلاتینیوم، نتایج دقیق‌تری را به همراه دارد. از آن زمان تاکنون پلاتینیوم به عنوان رایج‌ترین فلز مورد استفاده در اندازه‌گیری دما با استفاده از سنسور RTD شناخته می‌شود. دماسنج مقاومتی سال‌هاست که در آزمایشگاه‌ها، کارخانه‌ها و صنایع مختلف به کار می‌رود. دقت این تجهیز بالاست و تکرارپذیری بالایی هم دارد.

محاسبه دما در دماسنج مقاومتی

یک نمونه دماسنج مقاومتی در شکل پایین نشان داده شده است. این سنسور از یک المنت حسگر تشکیل شده که عموماً نوعی فلز خالص است. این المنت درون پوشش محافظی قرار می‌گیرد. رابطه بین تغییرات دما و تغییرات مقاومت، در فلزاتی که به عنوان سنسور RTD به کار می‌روند، ثابت و پایدار است. در نتیجه، اندازه‌گیری دما با این روش، دقت بالایی را به همراه خواهد داشت. در بازه دمایی −۲۰۰تا +۸۵۰درجه سلسیوس، مقاومت بیشتر فلزات تقریباً به صورت خطی تغییر می‌کند. رابطه کلی برای مقاومت یک فلز برحسب دما را می‌توان به شکل سری توانی زیر بیان کرد.

دماسنج مقاومتی چیست؟

دماسنج مقاومتی چیست؟

در رابطه بالا، R۰مقاومت را در دمای صفر درجه سلسیوس نشان می‌دهد و α، β. و γ. ضرایب دمای مقاومت برای فلز مورد نظر هستند. مقدار مربوط به عبارت‌های غیرخطی در این رابطه معمولاً کوچک است و در بیشتر موارد می‌توان از آن صرف نظر کرد. شکل زیر نمودار تغییرات نسبت RT/R۰را برحسب دما برای سه فلز نیکل، مس و پلاتینیوم نشان می‌دهد. پلاتینیوم با وجود قیمت بالا، برای سنجش دما در بیشتر فرآیند‌های صنعتی به کار می‌رود. در فرآیند‌هایی که اهمیت کمتری دارد از فلزات ارزان‌قیمت دیگر استفاده می‌شود. غیر از رفتار خطی، تکرارپذیری و واکنش‌ناپذیری از دلایل دیگر انتخاب پلاتینیوم به حساب می‌آید.

دماسنج مقاومتی چیست؟
دماسنج مقاومتی یا ترموکوپل؟

یکی دیگر از تجهیزات اندازه‌گیری دما که کاربرد زیادی در صنعت دارد، ترموکوپل است. هریک از انواع تجهیزاتی که برای سنجش دما به کار می‌رود، ویژگی‌هایی دارد که آن را در برخی شرایط نسبت به سایر مدل‌ها منحصر به فرد می‌سازد. از مزیت‌های ترموکوپل نسبت به RTD می‌توان به حساسیت کمتر نسبت به ارتعاشات، عدم نیاز به منبع تغذیه و کوتاه‌تر بودن زمان پاسخ‌گویی اشاره کرد. برخی از مزیت‌های دماسنج مقاومتی نسبت به ترموکوپل‌ها در ادامه ذکر شده است:

دامنه اندازه‌گیری وسیع در حدود −۲۰۰تا +۸۵۰درجه سلسیوس
دقت بالاتر
قابلیت تعویض قطعات داخلی
کارایی بلند مدت

با داشتن چنین ویژگی‌هایی، می‌توان از سنسور RTD تقریباً در بیشتر فرآیند‌های صنعتی استفاده کرد. همچنین امکان استفاده از فلزاتی مانند پلاتینیوم، آن را برای به‌کارگیری در محیط‌های خورنده مناسب ساخته است.

استاندارد‌های دماسنج مقاومتی

دو استاندارد برای سنسور RTD ساخته شده از جنس پلاتینیوم تدوین شده است. یکی از آن‌ها تحت عنوان استاندارد اروپایی شناخته می‌شود (IEC یا DIN) و دیگری، استاندارد آمریکایی است. استاندارد اروپایی، به عنوان استاندارد جهانی به حساب می‌آید. این استاندارد، DIN/IEC۶۰۷۵۱، سنسور RTD را ملزم می‌کند تا در دمای صفر درجه سلسیوس، مقاومتی برابر با ۱۰۰ اهم داشته باشد. مطابق این استاندارد، ضریب دما برحسب مقاومت در بازه ۰ تا ۱۰۰ درجه سلسیوس برابر با ۰.۰۰۳۸۵Ω/Ω/∘C است. نمودار تغییرات مقاومت برحسب دما در شکل زیر نشان داده شده است. ضریب دمای مقاومت را با α.مشخص کرده‌ایم. همان‌طور که در شکل مشاهده می‌کنید، تغییرات مقاومت به صورت خطی در نظر گرفته شده است.

دماسنج مقاومتی چیست؟

در این استاندارد که با نام IEC۷۵۱نیز شناخته می‌شود، بر اساس تلورانس مقاومت، چهار کلاس مختلف برای دماسنج مقاومتی در نظر گرفته شده است. این کلاس‌ها به صورت زیر در دمای صفر درجه سلسیوس، تعریف می‌شوند.

دماسنج مقاومتی چیست؟

استاندارد آمریکایی عموماً در کشور‌های آمریکای شمالی مورد استفاده قرار می‌گیرد و به صورت مقاومت ۱۰۰.۰۰±۰.۰۱۰Ωدر دمای صفر درجه سلسیوس تعریف می‌شود. ضریب TCR (ضریب دما برحسب مقاومت) برای بازه دمای صفر تا ۱۰۰ درجه سلسیوس به صورت ۰.۰۰۳۹۲Ω/Ω/∘Cتعریف می‌شود.

برخی از انواع سنسور‌های RTD طوری ساخته می‌شوند تا در دمای صفر درجه سلسیوس، مقاومت‌هایی مانند ۲۰۰، ۵۰۰، ۱۰۰۰ یا حتی ۲۰۰۰ اهم داشته باشند. ضریب تغییرات دما در این سنسور‌ها نیز مانند آنچه پیشتر تشریح شد، طراحی می‌شود. ولی این نکته را در نظر داشته باشید که در این حالت، تغییرات دما منجر به تغییرات بزرگتری در مقاومت می‌شود. در نتیجه رزولوشن اندازه‌گیری بیشتر شده و به دنبال آن، دقت نیز افزایش می‌یابد. پرکاربردترین سنسور‌ها Pt۱۰۰ و Pt۱۰۰۰ هستند. اعداد ۱۰۰ و ۱۰۰۰ مقاومت این سنسور‌ها را برحسب اهم در دمای صفر درجه سلسیوس نشان می‌دهند. عبارت Ptاشاره به این موضوع دارد که جنس این سنسور‌ها از پلاتینیوم است.

انواع دماسنج‌های مقاومتی

سنسور‌های مقاومتی دما را که امروزه مورد استفاده قرار می‌گیرند، می‌توان به دو دسته کلی تقسیم کرد. این تقسیم‌بندی براساس نوع ساخت المنت سنسور انجام شده است. یکی از آن‌ها دارای المنت فیلم نازک و دیگری از نوع سیم‌پیچ است. هریک از این دو مدل در کاربرد مخصوص خودشان بهترین انتخاب هستند.

دماسنج مقاومتی از نوع فیلم نازک

دماسنج مقاومتی از نوع فیلم نازک، با قرار دادن یک لایه بسیار نازک فلزی (معمولاً پلاتینیوم) روی لایه زیرین (از جنس سرامیک) تشکیل می‌شود. لایه فلزی قادر است مقاومت مورد انتظار را تأمین کند. این نوع دماسنج مقاومتی به دلیل استحکام و قابلیت اطمینان بالا و همچنین پایین بودن قیمت، طرفداران زیادی دارد. المنت فیلم نازک، هنگام بروز ارتعاشات یا ضربه، مقاومت زیادی در برابر شکست دارد و می‌توان از آن در شکل‌ها، اندازه‌ها و مقاومت‌های مختلفی استفاده کرد. در شکل زیر، نمونه‌ای از این سنسور مشاهده می‌شود.

دماسنج مقاومتی چیست؟
دماسنج مقاومتی از نوع سیم‌پیچ

دماسنج مقاومتی از نوع سیم‌پیچ، از سیم‌پیچی کوچک و بسیار نازک (معمولاً پلاتینیوم) تشکیل شده است. این سیم‌پیچ را می‌توان درون لوله‌های سرامیکی یا شیشه‌ای قرار داد یا سیم را به دور سرامیک یا شیشه پیچید. این نوع دماسنج مقاومتی، بیشترین دقت را دارد. نوع سرامیکی آن برای اندازه‌گیری دما‌های فوق‌العاده بالا مناسب است و نوع شیشه‌ای را می‌توان در بسیاری از مایعات به کار برد. در مقابل، سنسور‌های نوع سیم‌پیچ هزینه زیادی هم دارند و ساخت آن‌ها نیازمند تکنیک‌های بسیار پیشرفته است. شماتیک دماسنج مقاومتی از نوع سیم‌پیچ در شکل زیر نشان داده شده است.

دماسنج مقاومتی چیست؟

انواع سیم‌بندی در دماسنج مقاومتی

در دماسنج مقاومتی، مقاومت الکتریکی به عنوان تابعی از دما تغییر می‌کند. براساس قانون اهم، هنگامی که جریان الکتریکی ثابت باشد، مقاومت و ولتاژ الکتریکی با یکدیگر متناسب هستند (R=V/I). با استفاده از این جریان ثابت و اندازه‌گیری افت ولتاژ، مقاومت قابل اندازه‌گیری است. راه‌های اتصال سنسور Pt۱۰۰به ترانسمیتر به صورت زیر است.

اتصال دو سیمه

شکل زیر، اتصال دو سیمه را در مدار سنسور Pt۱۰۰نشان می‌دهد. در این حالت، دو سر سنسور به طور مستقیم به ترانسمیتر متصل شده‌اند. هر یک از کابل‌ها دارای مقاومت است. مقاومت سیم‌های L۲ و L۳ به ترتیب با R۲ و R۳نشان داده شده‌اند. در نتیجه، مقاومت نهایی اندازه‌گیری شده دارای خطا خواهد بود. این خطا را می‌توان با کالیبراسیون از بین برد. ولی مشکل اینجاست که در هر دمای جدیدی، باز هم باید فرآیند کالیبراسیون را تکرار کرد.

دماسنج مقاومتی چیست؟

اتصال سه سیمه

این نوع اتصال، بیشترین کاربرد را در صنعت دارد. شکل زیر اتصال سه سیمه را مدار سنسور Pt۱۰۰نشان می‌دهد. در این حالت، با اضافه کردن سیم L۱ به حالت قبلی (اتصال دو سیمه) و به شرطی که مقاومت‌های R۱، R۲ و R۳ با هم برابر باشند، اندازه‌گیری درستی از مقاومت سنسور Pt۱۰۰انجام خواهد شد.

دماسنج مقاومتی چیست؟

اتصال چهار سیمه

عموماً در آزمایشگاه‌ها از این نوع اتصال استفاده می‌شود. در این حالت، منبع جریان به طور ثابت جریان ۰.۱تا ۱ میلی‌آمپر را برقرار می‌کند. ولت‌متر دیجیتال در شکل با DVM نشان داده شده است. این ولت‌متر دارای امپدانسی حداقل برابر با ۱۰ مگا اهم است. در نتیجه، کوچکترین جریان هم از DVM عبور می‌کند. در این حالت افت ولتاژ در مقاومت‌های R۲ و R۳، عملاً صفر خواهد بود. این مدار پیچیده‌ترین و پرهزینه‌ترین مدار نسبت به حالت‌های قبل به حساب می‌آید و بالاترین دقت را نیز دارد.

حسگرها گونه‌ای مبدل هستند. بعضی از حسگرها به تنهایی قابل استفاده‌اند و برای خواندن آنهااحتیاجی به وسایل جانبی دیگری نیست، مانند دماسنج جیوه‌ای. دستهٔ دیگر برای استفاده باید با وسایل دیگری همراه باشند مثل ترموکوپل. بیشتر حسگرها الکتریکی یا الکترونیکی هستند که انواع الکتریکی از دقت پایین‌تری برخوردارند. البته انواع دیگری نیز موجود است. حسگرها در زندگی روزمره ما به صورت فراوان مورد استفاده قرار می‌گیرند، مواردی که شامل خودرو، ماشین‌های صنعتی، تجهیزات فضائی و حتی دارویی می‌شود. پیشرفت فنی باعث شده تا انواع مختلف و گوناگونی از حسگرها با فناوری ام‌ای‌ام‌اس (MEMS) تولید شود. در اکثر موارد این کار باعث بدست آمدن حساسیت بالا شده است.

انواع

با به وجود آمدن راه‌های مختلف برای نمایش اثر انرژیها، حسگرها بر اساس انرژی مورد آزمون، که حسگر آن را دریافت می‌کند، طبقه‌بندی می‌شوند.

• حسگرهای دمائی
  • دماسنج (thermometer)
  • ترموکوپل (thermocouple)
  • مقاومت‌های حساس به گرما (thermistors and resistance temperature detectors)
• حسگرهای گرمایی
  • بولومتر (bolometer)
  • گرماسنج (calorimeter)

دسته‌بندی خطاهای اندازه‌گیری

یک سنسور خوب از این قوانین پیروی می‌کند:

• تنها نسبت به خاصیت اندازه‌گیری حساس است
• نسبت به باقی خواصی که در کاربردش وجود دارد حساس نباشد
• بر خاصیتی که درحال اندازه‌گیریش است تأثیر نگذارد

حسگرهای ایده‌آل جوری طراحی می‌شوند نسبت به اندازه‌گیری یا نسبت به تابع ساده‌ای از اندازه‌گیری (مثلاً لگاریتم) خطی باشند. سیگنال خروجی چنین حسگری نسبت به ارزش یا تابع ساده‌ای از خاصیت اندازه‌گیری‌شده خطی است؛ بنابراین حساسیت به صورت ضریبی بین سیگنال خروجی و خاصیت اندازه‌گیری تعریف می‌شود. برای نمونه، اگر یک سنسور دما را اندازه‌گیری می‌کند و یک ولتاژ خروجی دارد و حساسیت آن نسبت ثابت V/K شود، خطی خواهد بود چرا که ضریبش در همه نقاط اندازه‌گیری ثابت است.

سنسور های تشخیص دما

سنسور در لغت به معنای حسگر بوده و به طور کلی برای اندازه گیری یا وجود و عدم وجود پارامترهای مختلف از سنسور استفاده می شود.
دما یکی از مهمترین پارامترهایی است که برای اندازه گیری آن نیاز به سنسور است.
برای اندازه گیری دما در صنعت از دو روش تماسی(ترموکوپل یا TC، RTD) و غیرتماسی(مادون قرمز) استفاده می شود.
روش غیرتماسی از نور مادون قرمز استفاده می کند و به عنوان نمونه در بالای مخزن قرار می گیرد و بدون آنکه تماس ایجاد کند می تواند دما را اندازه گیری کند . این مدل از سنسورهای دما قیمت بسیار زیادی دارد ولی شرایطی که دما به شدت بالا است، برای ذوب نشدن یا خراب نشدن سنسور دما ازین مدل استفاده می شود.
در روش تماسی می بایست از سنسورهای دیگری استفاده نمود.
سنسور ترموکوپل TH و RTD از جمله سنسورهای مهم برای اندازه گیری دما می باشند که به روش تماسی عمل می کنند.
ترموکوپل از دو فلز با دو جنس مختلف که به هم متصل شده اند تشکیل شده است. به علت اختلاف ضریب انتقال حرارت این دو فلز، در طرف دیگر یک ولتاژ ضعیفی ایجاد می شود که معیاری برای اندازه گیری دما است.

ترموکوپل ها انواع مختلفی مانند نوع J و NوTوEو K و… دارند که تفاوت آنها در جنس فلزهایی است که در سنسور استفاده می شود.

دقت سنسورهای ترموکوپل حدود یک درجه سانتی گراد است.
در ترموکوپل به ازای دماهای مختلف و اندازه گیری اختلاف ولتاژ خروجی یک نمودار رسم می شود که ولتاژ خروجی را بر حسب تغییرات دمایی نشان می دهد.

قسمتی از این نمودار که تقریبا خطی می باشد ناحیه کاری مناسب سنسور را نشان می دهد.
RTD مخفف عبارت resistance temperature detectors از یک مقاومت متغیر با دما استفاده می کند تا بتواند از روی تغیر مقاومت، تغییر دما را به دست بیاورد.

RTD ها در انواع دو سیمه، سه سیمه و چهار سیمه موجودند. مدل چهار سیمه گران قیمت و مدل دوسیمه دقت پایینی دارد به همین خاطر عمدتا در صنعت از سنسورهای RTD سه سیمه استفاده می شود.
در مقایسه سنسورهای دما می توان گفت که RTD زمان پاسخ و دقت بیشتر نسبت به ترموکوپل دارد.
دقتRTD حدود 0.1 درجه سانتی گراد و از انواع RTD ها می توان به Pt100 و Pt1000 و Ntc اشاره نمود.

معروفترنی سنسور تشخیص دما موجود در بازار lm 35 میباشد ، این سنسور تغییرات دما را به ولتاژ انالوگ تبدیل میکند .
این سنسور دارای 3 پایه میباشد ، در صورتی که سنسور روربروی شما باشد (بتوانید نوشته هایش را ببینید ) اولین پایه سمت چپ vcc سنسور (متصل به 5 ولت میشود) ، پایه وسط ولتاژ خروجی (به میکرو متصل میشود) و پایه سوم گراند سنسور ست .

محدوده دمایی که این سنسور قادر به اندازه گیری ان میباشد بین -55 تا 150 درجه است و این سنسور به ازای هر درجه سانتی گراند 10 میلیولت ولتاژ خروجی را تغییر میدهد .
یعنی به ازای دمای 1 درجه ولتاژ خروجی سنسور 10 میلی ولت و به ازای 100 درجه خروجی سنسور 1 ولت میباشد
همچنین به ازای دمای -20 درجه خروجی سنسور -20 میلی ولت میباشد . از انجا که در سنسور پایه برای ولتاژ منفی به چشم نمیخورد ، برای اندازه گیری دمای منفی باید پایه vo سنسور را توسط یک مقاومت 1 کیلو به ولتاژ منفی متصل کنید (-5 ولت)
راه اندازی این سنسور با avr کار راحتی میباشد ، در زیر نمونه ی برنامه نوشته شده به زبان بیسیک را مشاده میفرمایید :
در این برنامه ولتاژ خروجی سنسور توسط adc اندازه گیری میشود و سپس بر رویlcd کاراکتری به نمایش در میاید .

[$regfile = "m16def.dat" : $crystal = 8000000 
Config Lcdpin = Pin , Db4 = Pind.0 , Db5 = Pind.1 , Db6 = Pind.2 , Db7 = Pind.3 , Rs = Pind.4 , E = Pind.5 
Config Lcd = 16 * 2 : Dim A As Word 
Config Adc = Single , Prescaler = Auto : Start Adc 
Do 
A = Getadc(0) : A = A / 2 
Locate 1 , 1 : Lcd "temp is:" ; A ; "c " 
Loop 
End

ولتاژ تغذیه این سنسور 5 ولت میباشد ، همچنین بدنه ان قابلیت تحمل دما تا 200 درجه را دارد ، اطلاعات بیشتر را میتوانید در دیتا شیت این سنسور بیابید
http://www.datasheet4u.com/share_search.php?sWord=lm35&x=8&y=5

سنسور های pt100

این سنسور ها که به سنسور های مقاومتی خطی نیز معروف هستند در انوع متنوع و با قابلیت اندازگیری دمای زیاد و دقت بالا ساخته میشوند. معروفترین نمونه از این سنسور ها PT100 میباشد که دقت بسیار بالا دارد و اخیرا تا دماهای 800 درجه ساخته می شود. این سنسورها دارای مقاومت متغیر حدود 0.385 اهم بر درجه سانتیگراد هستند. یعنی با هر در جه افزایش یا کاهش دما مقدار .385 اهم از مقاومتشان کم یا زیاد میشود . این سنسور دارای دوپایه میباشد.

برای اندازه گیری دما شما یاید یک جریان از سنسور عبور دهید.
طبق قانون اهم مقدار ولتاژ دو سر یک مقاومت برابر با مقدار مقاومت در مقدار جریان عبوری از ان است ، از انجا که مقدار مقاومت pt100 با کم و زیاد شدن دما تغییر میکند بنابراین ولتاژ دوسر سنسور نیز تغیرر میکند .
با استفاده از adc میکرو میتوان این تغییرات ولتاژ را اندازه گرفت و ان را مشاهده کرد.

سنسور دمای جدید – Temperature -sensor

ساده ترین منبع جریانی که میتوان برای این سنسور استفاده کرد ، استفاده از یک مقاومت سری شده با این سنسور است ، بدین صورت که یک سرمقاومت به سنسور وسردیگر به ولتاژ تغذیه متصل میشود ، همچنین سردیگر سنسور نیز باید به گراند متصل شود .
تغییرات دما موجب تغییر ولتاژ در نقطه مشترک سنسور ومقاومت میشود .
در زیر یک پروژه برای اندازه گیری دما توسط این سنسور اورده شده است :
سنسور PT100‌ در دمای صفر درجه دارای مقاومت 100 اهم میباشد و در ازای هر درجه افزایش دما 0.385 اهم به مقاومتش افزوده میشود .در این پروژه هدف ساخت یک دماسنج با قایلیت اندازه گیری دمای بین 0 تا 700 درجه میباشد .
محاسبه مقدار مقاومت و منبع ولتاژ (ساخت منبع جریان وراه اندازی سنسور ):
از انجا که بیشترین دما 700 دجه است ،بنابراین مقدار بیشترین مقدار مقاومت سنسور برابر با 369.5 اهم میشود :
100+(700*.385)=369.5
در صورتی که ما از منبع تغذیه 5 ولت و مقاومت 1 کیلو اهم استفاده نماییم تغییرات ولتاژ 0 تا 1.349
را خواهیم داشت (مقاومت 1کیلو با pt سری میشود ، سردیگر pt به گراند و سر دیگر مقاومت به 5 ولت متصل میشود ، همچنین سر مشترک مقاومت و pt به adc میکرو متصل میشود )
برنامه:

[$regfile = "m16def.dat" : $crystal = 8000000 
Config Lcdpin = Pin , Db4 = Pind.0 , Db5 = Pind.1 , Db6 = Pind.2 , Db7 = Pind.3 , Rs = Pind.4 , E = Pind.5 
Config Lcd = 16 * 2 : Dim A As Word,bas single 
Config Adc = Single , Prescaler = Auto : Start Adc 
Do 
A = Getadc(0) 
b=a: b = b *2.53
 
Locate 1 , 1 : Lcd "temp is:" ;fusing( b,"###,##") ; "c " 
Loop 
End

مقدار دیجتال ریخته شده در متغیر a : 276.0054
a=(1023/5)*1.349
مقدار نشان داده شده بر روی lcd به ازای این ولتاژ :700
بنابراین
b = b *2.53
از انجا که امکان محاسبات اعشاری بر روی متغیر word وجود ندارد ، بنابرای مقدار a در یک متغیر از جنس singleریخته میشود .
جهت دریافت اطلاعات بیشتر میتوانید به دیتاشیت این سنسور مراجعه کنید
http://www.datasheet4u.com/html/P/T/1/PT100_RHOPOINTCOMPONENTS.pdf.html

سنسور LM75

LM75 یک سنسور اندازه گیری دما با پکیج smd میباشد ، این سنسور از طریق رابط i2c با میکرو ارتباط برقرار میکند ، محدوده ی اندازه گیری دما برای این سنسور از -55 تا +125 درجه میباشد همچنین دقت ان .5 درجه است .
ولتاژ تغذیه ی این سنسر است 5 ولت است و جریان مورد نیاز برای کارکردش 250 میکرو امپر است

سنسورهای ntcوptc :

این دو نوع سنسور ار سنسورهای مقاومتی و حساس به دما میباشد که در نوع ntc با افزایش دما مقاومتش کم میشود و در نوع ptc با افزایش دما مقاومت ان نیز افزایش می یابد.
این سنسورها به دلیل آسانی در استفاده و مقرون به صرفه بودن در بین طراحان روباتیک و الکترونیک محبوبیت دارند!( ولی من تا حالا به جز یه جا ندیدم از این سنسورها استفاده کنند!!)
کاربرد این سنسورها در ربات های مختلف از جمله روباتهای اتش نشان ، روباتخای امداد،روباتهای آشپز ،روباتهای شناسایی محیط و… است.
نکته قابل ذکر در مورد این سنسورها سرعت کاری و عکس العمل آنها نسبت به تفییرات دمای مخیط مس باشد مه معمولا این سنسورها آنی و لحظهع ای عمل نمی کنند و مقداری زمان می برد تا تفییرات محیط بر سنسور پدیدار شود زیرا ابتدا دمای سنسور باید تغییر کند و سپس به مدار القا شود که برای رفع این مشکل میتوان از مدار های تسریع کننده عملکرد سنسور استفاده کرد.
هم چنین مقاومت سنسورهای مذبور با نوع مقاومت LDRها یکسان میباشد واین بدان معناست که می توان در مداراتی که از LDRها استفاده میشود سنسورهای مقاومتی را جایگزین کرد.
مطالب بالا عینا از کتاب اقای مهدی محمد زاده به نام رباتیک و اصول طراحی برداشت شد.
برای راه اندازی سنسورهای ntc که در رنج های مختلف وجود داره( مثلا 1 اهم یا 4.7 اهم ) میتوان از adc میکرو استفاده کرد به این صورت که یک سر مقاومت را به +5v و سر دیگرش را به adc میکرو وصل کرد که بهتراست یه مقاومت 270 اهم هم از adc به زمین وصل بشود حال کافیست تا تابع سنسور را با توجه به مقدار خوانده شده از adc بدست آورد.
البته میتوان سنسور را به یک منبع جریان مثلا 1 ma سری و سپس تابع سنسور را که یک تابع نمایی )اکسپنانسیل) می باشد بدست آورد.

سنسورهای دما یکی از سنسورهای پرکاربرد در هر صنعت می باشد. کمپانی JUMO آلمان به عنوان یکی از قدیمی ترین و برترین کمپانی های اروپا تولید کننده این سنسورهای دما با کیفیت بالا و مطابق با اخرین استانداردهای روز می باشد