راهنمای انواع سنسورهای دما و کاربردهای آنها
مقدمه
در خیلی موارد ، ما باید دمای دقیق را اندازه گیری کنیم و در بعضی موارد ، نیاز به کنترل دقیق داریم. اگر انواع سنسور دما را از دیدگاه خصوصیات آنها مطالعه کنیم ، متوجه می شویم که برای انتخاب یک سنسور مناسب ، باید نکات خاصی را در نظر بگیریم. در این مقاله انواع مختلف سنسورهای دما را معرفی می كنیم و نحوه كار آنها را توضیح می دهیم و در مورد كاربردهای آنها به برخی از نكات اشاره می كنیم.
انواع سنسور دما
آیا می دانستید تقریباً در هر دستگاه الکترونیکی سنسور دما وجود دارد؟ مثلاً یک گوشی هوشمند. یا کامپیوتر شخصی . حتی وسایل برقی آشپزخانه .
انواع سنسورهای دومایی مختلف در بازار وجود دارد، که تعداد آنها بسیار زیاد است ودر این مقاله در مورد آنها صحبت خواهیم کرد. اما دو مورد از آنها که در اکثر کاربردهای فرآیند استفاده می شوند ، سنسورهای دمایی مقاومتی (RTD) و ترموکوپل ها هستند. احتمالاً شما حداقل یک بار در زندگی با هر دو سنسور دما تماس داشته اید.
از سنسورهای دیگر موجود در بازار ما سنسورهای مادون قرمز و سنسور بیومتالیک میباشند. آنها در سیستم های اتوماسیون کاربردهای کمتری دارند ، اما شما باید کمی در مورد آنها نیز بدانید.
1)سنسورهای دمایی مقاومتی (RTD)
این سنسورها به عنوان یکی از دقیق ترین سنسورهای موجود ، از شهرت خوبی برخوردار هستند و در انواع مختلفی از کاربردها ، دقت خوبی را ارائه می دهند. همچنین از ثبات و تکرار پذیری عالی برخوردارند.
RTD ها چگونه کار میکنند؟
این سنسورهای دما با اندازه گیری مقاومت در مدار ، دما را کنترل می کنند. با تغییر دما ، مقاومت سنسور با مقدار مشخص و قابل اندازه گیری تغییر می کند. بنابراین ، سنسور می تواند این تغییرهای مقاومتی را به مقادیر قابل اندازه گیری برای کنترلرها تبدیل کند.
وقتی RTD ها را ارزیابی می کنیم ، معمولاً سنسور را با توجه به مقاومت آن در صفر درجه سانتیگراد مشخص می کنیم. در بازار یکی از پرکاربردترین سنسورها 100 اهم میباشد با نام اختصاری PT100. این بدان معناست که در دمای صفر درجه سانتیگراد ، سنسور مقاومت 100 اهمی را می خواند.
وقتی بازار این سنسورها را ارزیابی می کنیم ، باانواع مختلفی برخورد می کنیم. علت این اختلاف و تنوع چیست؟ خوب ، بیایید با عنصرهای تشکیل دهنده آنها ، مانند پلاتین ، نیکل و مس ( سه مورد رایج ) آغاز کنیم. بیشتر صنایع پلاتین را بهترین عنصر برای RTD می دانند زیرا مقاومت پایدار در طیف گسترده ای از دما دارد. نیکل دامنه محدود تری دارد زیرا بعد از 150 درجه سانتیگراد پاسخ خطی ارائه نمی دهد. مورد بعدی مس است. این ماده تغییرات مقاومت بسیار خطی را در کل محدوده اندازه گیری فراهم می کنداما ما نمی توانیم از مس بیش از 150 درجه سانتیگراد استفاده کنیم زیرا اکسیده می شود.
ما همچنین می توانیم به مقوله ساخت متفاوت RTD ها اشاره کنیم مانندThink – film ، wire-wound و Coil-element که رایج ترین آنها در صنایع هستند. برای برخی از کاربردها، ما به سنسورهایی خاص نیاز داریم ، مانند عنصرهای مقاومتی کربنی برای اندازه گیری درجه حرارت بسیار پایین.
سنسورهای RTD با دو ، سه و چهار سیم
وقتی در مورد RTD ها صحبت می کنیم ، می دانیم که تغییر مقاومت نشان دهنده تغییر متناسب در مقدار دما است. حالا اینجا یک نکته کوچک داریم. یک سنسور دمای پلاتینی کاملاً باپلاتین ساخته نشده است. معمولاً در یک سنسور پلاتینی ، عنصر سنجش با استفاده از کابل ساخته شده از مواد مختلف (ارزان تر) مانند مس ، به دستگاه متصل می شود.
بله ، در واقع این کابل مقداری مقاومت دارد که می تواند مقدار حاصل از عنصر حسگر را تغییر دهد. پس در اینجا ما باید اهمیت کابل ها را درنظر بگیریم. کابل های مخصوص مقدار مقاومت را جبران می کنند و باعث کاهش انحراف می شوند.
RTD های دو سیم این نوع جبران را ندارند ، بنابراین ما زمانی از دو سیم استفاده می کنیم که فقط به یک مقدار تقریبی برای دما نیاز داشته باشیم. بیشتر دستگاهها از RTD های سه سیم استفاده می کنند.
این نوع سنسور برای جبران تغییر مقاومت در فرستنده از مدار پل Wheatstone استفاده می کند. RTD چهار سیمه بیشترین جبران خطا را دارند و باعث دقت بیشتری می شود.
مزایای RTD
- ضریب خطی خوب
- پاسخ پایدار (به طور معمول 0.05 درصد در سال)
معایب
- خود گرمایش
- گران بودن
2)ترموکوپل
حال ، بیایید درون دنیای ترموکوپل گشتی بزنیم! صنایع در سراسر جهان از این سنسورهای متداول برای اندازه گیری دما استفاده می کنند ، اما آیا می دانید چگونه کار می کند؟
یک ترموکوپل از دو فلز مختلف برای تولید پدیده موسوم به “اثر حرارتی” استفاده می کند. سپس دستگاه این ولتاژ را به اعدادی که می توانیم بخوانیم تبدیل می کند.
برای این نوع سنسورها برای تبدیل ولتاژ به دما به یک جدول مرجع نیاز داریم. جدول مرجع بسته به ولتاژ اندازه گیری شده توسط سنسور، دما را اعلام می کند و هر نوع ترموکوپل موجود در بازار از جدول خاصی استفاده می کند. بنابراین باید حتماً از جدول مناسب ترموکوپل استفاده کنیم.
ما طیف گسترده ای از ترموکوپل ها را در دسترس داریم. آنها در دوام ، دامنه دما ، مقاومت شیمیایی ، مقاومت در برابر لرزش متفاوت هستند. آنها همچنین از حروف اختصاری به عنوان علائم استفاده می کنند ، مانند نوع K یا R. بیایید جزئیات رایج ترین ترموکوپل های موجود در بازار را بررسی کنیم.
انواع ترموکوپل ها
ترموکوپل های اندازه گیری دما، دامنه بیشتری نسبت به RTD ها دارند و هزینه آنها تا سه برابر کمتر است. با این حال ، اگر به دقت و ثبات بالایی نیاز دارید، باید از RTD ها استفاده کنید. در غیر اینصورت، ممکن است یکی از این موارد مطابق درخواست شما باشد.
ترموکوپل نوع K
نوع K ساخته شده با نیکل کروم و نیکل آلومینیوم ، به دلیل دقت ، قابلیت اطمینان و انعطاف پذیری آن برای طیف گسترده ای از مصارف صنعتی استفاده میشود.
دامنه آن بین 270- تا 1260 درجه سانتیگراد است و سیم ارتباطی آن از 0 تا 200 درجه سانتیگراد را پوشش می دهد. همچنین از صحت خطای 0.75 درصد و خطا خاص (SLE) حدود 0.4 درصد برخوردار است.
ترموکوپل نوع J
نوع J از آهن و کنستانتان استفاده می کند و از درجه حرارت کمتری برخوردار است و طول عمر آن نیز در دمای بالا کوتاه تر از نوع K است. این سنسور دما دارای دامنه ای بین 210- تا 760 درجه سانتیگراد و سیم های ارتباطی از 0 تا 200 درجه سانتیگراد است. دقت استاندارد در حدود 0.75 درصد و SLE حدود 0.4 درصد مانند نوع K است.
ترموکوپل نوع T
نوع T بیشتر در اندازه گیری دمای پایین استفاده میشود. از مس و کنسانتان استفاده می کند و دامنه آن بین 270- تا 370 درجه سانتیگراد است و سیم های ارتباط آن از 0 تا 200 درجه سانتیگراد است. دقت و SLE به ترتیب در جایگاه اول قرار دارند ، به ترتیب 75/5 درصد و 4/0 درصد.
ترموکوپل نوع E
ترموکوپل نوع E دقت و کیفیت سیگنال بهتری نسبت به نوع K و همچنین اندازه گیری دمای مناسب تری دارد. این سنسور با استفاده از نیکل کروم و کنستانتان به عنوان مواد آن از 270- تا 870 درجه سانتیگراد و کابل ارتباطی از 0 تا 200 درجه سانتیگراد میباشد . اگرچه دارای یک SLE مشابه با سه گروه دیگر است ، اما دقت آن از 0.5 درصد است.
ترموکوپل نوع N
ترموکوپل نوع N از دقت و دامنه دمایی مشابهی با K برخوردار است ، گرچه در مواد خود از نیکروسیل و نیسیل استفاده می کند ، اما گران تر از K است. این سنسور از 270- تا 1300 درجه سانتیگراد با همان شرایط کابل میباشد. مانند سایرین ، 0 تا 200 درجه سانتیگراد. دقت آن از 75 / 0 درصد و 4/0 درصد SLE است.
ترموکوپل نوع S
ترموکوپل های نوع S دارای دامنه دمای زیادی با دقت و پایداری بالا هستند. این سنسور که از پلاتین و 10 درصد رودیم ساخته شده است ، می تواند از 50 تا 1480 درجه سانتیگراد و سیم ارتباطی 0 تا 200 درجه سانتیگراد را پوشش دهد. با دقت 0.25 درصد و SLE 0.1 درصد . این یکی از دقیق ترین سنسورهای موجود در صنعت است.
ترموکوپل نوع R
ترموکوپل نوع R همچنین دما را در کاربردهای مختلف اندازه گیری می کند. تنها از نظرنسبت فلزات با نوع S متفاوت است ، رادیم 13 درصد به جای 10 درصد. رنج دما از 50- تا 1480 درجه سانتیگراد می باشد، با دقت 0.25 درصد و SLE 0.1درصد دقیقا مانند نوع S .
اتصالات ترموکوپل
ساخت اتصالات در ترموکوپل همچنین می تواند عملکرد و ویژگی های آن را تغییر دهد.
زمینی Ground: این شیوه اتصال مشترک دارای غلاف و ترموکوپل با هم جوش داده شده تا یک اتصال در نوک پروب ایجاد شود. این ماده به تغییرات دما سریعتر پاسخ می دهد و می تواند نویز گذرا بر روی مدار را بگیرد.
Ungrounded : این محل اتصال دارای عایق معدنی است که از نویز گذرا محافظت می کند اما زمان واکنش آن را کند می کند.
Exposed : جوش سیم های ترموکوپل با هم می توانند به شما اجازه دهند سنسور را مستقیماً در فرایند وارد کرده و زمان پاسخ را افزایش دهید. با این حال ، این سنسور می تواند به سرعت تخریب شده یا خوردگی پیدا کند.
Ungrounded uncommon: این مورد سنسور دوتایی دارد که توسط یک غلاف از یکدیگر عایق بندی شده اند. همچنین سایز اجزا دو سنسور نیز از همدیگر عایق بندی شده اند.
مزایا
- دامنه وسیع دما (0 تا 1800 درجه سانتیگراد)
- قوی و سخت
- صرفه جویی در هزینه
معایب
- پایداری کمتر از RTD
- دقت کمتر از RTD
3)سنسورهای دما مادون قرمز
ما یکی از این دستگاه ها را در زندگی روزمره خود دیده ایم. سوپر مارکت ها معمولاً دارای دماسنج برای نظارت بر دمای فریزرهای خود هستند. یک سنسور دما مادون قرمز تشعشع حرارتی ساطع شده توسط تجهیزات یا مواد را تشخیص می دهد. این دستگاه از ویژگی های مفید اندازه گیری درجه حرارت بدون تماس برخوردار است ، به این معنی که می توان دمای را از فاصله بررسی کرد.
چگونه کار می کند؟ در اصل ، یک لنز در داخل فرستنده اشعه حرارتی را بر روی آشکارساز متمرکز می کند. ردیاب قدرت تابشی را به یک سیگنال الکتریکی تبدیل می کند و فرستنده در صفحه نمایش خود دما را در واحدهای مناسب نشان می دهد.
البته برای تشخیص دما باید بدانیم که میزان انتشار و یا چه میزان انرژی مادون قرمز تجهیزات یا مواد شما می تواند منتشر کند. بنابراین دستگاه دارای بانک اطلاعاتی از مواد و مقادیر انتشار آنهاست. همچنین دمای محیط را در خواندن آن جبران می کند.
مزایا
- دقت خوب
- بدون مداخله
- اندازه گیری آسان و دقیق
- حداقل کابل
معایب
- بی اثر در مایعات
- گران
- شکننده و آلودگی آسان
4)دماسنج بیومتالیک
فلزات با تغییر دما منبسط و منقبض می شوند. دماسنجهای بیومتالیک برای اندازه گیری دما با تبدیل جابجایی مکانیکی به اعدادی که می توانیم بخوانیم ، به این ویژگی متکی هستند.
سنسور دما از نواری با دو فلز مختلف معمولاً از فولاد و مس تشکیل شده است که در معرض تغییرات دما ، با سرعتهای مختلف منقبض می شوند. معمولاً به شکل لوله مارپیچی ساخته می شود ، گسترش مکانیکی مواد منجر به چرخش می شود. یک نقطه از سیستم دو فلزی ثابت باقی می ماند ، در حالی که طرف دیگر یک نشانگر را می چرخاند تا دما را نشان دهد.
مزایا
- ساده
- قدرتمند
- ارزان
معایب
- دامنه محدود (80- تا 400 درجه سانتیگراد)
- استفاده منظم می تواند منجر به پیچ و تاب شود
5)ترمیستور
ترمیستور “مقاومت حساس به گرما” است ، همچنین به عنوان یک سنسور نیمه هادی شناخته می شود. با اندازه گیری تغییرات مقاومت ، گرما را کنترل می کند. ما بسته به تغییر مقاومت ، آنها را با ضریب دمای منفی یا مثبت (NTC یا PTC) طبقه بندی می کنیم.
تجهیزات پزشکی ، اتومبیل ، توستر و بسیاری دیگر از ترمیستورها استفاده می کنند.
مزایا
- پاسخ سریع خروجی
- حساسیت خوب
- حداقل خطای مقاومت در برابر سرب
معایب
- دامنه محدود (40- تا 150 درجه سانتیگراد)
- اندازه گیری غیرخطی
- خود گرمایش
