سنسور دما چیست ؟

سنسورهای دما دستگاه‌هایی هستند که درجه حرارت یک جسم یا محیط را با استفاده از سیگنال الکتریکی اندازه گیری می‌کنند. این سنسورهای دما به طور گسترده در زمینه‌های مختلف مانند صنعت، خودروسازی، پزشکی، فرآوری مواد غذایی، هوافضا و کاربردهای مصرفی استفاده می‌شوند. اندازه گیری‌های دقیق و قابل اعتماد دما را ارائه دهند که در نتیجه به کنترل، نظارت یا ثبت تغییرات دما کمک می‌کند.

طیف وسیعی از انواع سنسور دما وجود دارد که هر کدام اصول کار، مزایا و معایب خاص خود را دارند. برخی از رایج‌ترین انواع سنسورهای دما عبارتند از:

ترموکوپل
آشکارسازهای دمای مقاومتی (RTD)
ترمیستورها
سنسورهای مادون قرمز
سنسورهای مدار مجتمع (IC)

ترموکوپل

ترموکوپل‌ها حسگرهای دما هستند که از دو فلز غیرمشابه تشکیل شده‌اند که در یک نقطه به هم متصل شده‌اند. هنگامی که اتصال در معرض تغییر دما قرار می‌گیرد، یک ولتاژ الکتریکی تولید می‌کند که متناسب با اختلاف دمای بین اتصال و یک نقطه مرجع است. ولتاژ را می‌توان با یک ولت متر یا یک تقویت کننده اندازه‌گیری کرد و با استفاده از جدول یا معادله کالیبراسیون به مقدار دما تبدیل کرد.

ترموکوپل‌ها چندین مزیت دارند از جمله:

• دقت بالا و محدوده دمایی گسترده (از 200- درجه سانتیگراد تا 2000 درجه سانتیگراد)
• هزینه کم و نصب آسان
• زمان پاسخگویی سریع و ساختار مقاوم
• عدم نیاز به منبع تغذیه خارجی

با این حال ترموکوپل‌ها دارای معایبی نیز هستند، از جمله:

• جبران ساز اتصال سرد برای محاسبه دمای مرجع
• غیر خطی بودن و حساسیت به تداخل الکترومغناطیسی
• دریفت و تخریب در طول زمان و استفاده

ترموکوپل‌ها در بسیاری از کاربردهای صنعتی، خودرویی و مصرفی استفاده می‌شوند که به دقت بالا و محدوده دمایی وسیع نیاز دارند. برخی از نمونه‌ها توربین‌های گاز، کوره‌ها، دیگ‌ها، اجاق‌ها و دماسنج‌ها هستند.

آشکارسازهای دمای مقاومتی (RTD)

RTD ها یکی از انواع سنسور دما هستند که با تشخیص تغییرات مقاومت در اثر تغییرات دما، مقدار دما را اندازه‌گیری می‌کنند. RTD ها از فلزات خالصی مانند پلاتین، نیکل یا مس ساخته . که دارای تغییر قابل پیش بینی مقدار مقاومت با تغییر دما هستند. مقدار مقاومت این نوع سنسور را می‌توان توسط اهم‌متر یا پل وتستون اندازه گیری کرد و با استفاده از جدول یا معادله کالیبراسیون به مقدار دما تبدیل کرد.

RTD ها دارای مزیت‌هایی هستند، مانند:•    دقت و حساسیت بالا
•    دریفت کم و پایداری بالا
•    خروجی خطی و تکرارپذیری خوب
•    محدوده دمایی گسترده (از 200- تا 850+ درجه سانتی‌گراد)

با این حال، RTD ها دارای معایبی هستند، مانند:

•    نیاز به منبع تغذیه خارجی و جبران‌سازی سیم‌های پایه سنسور
•    زمان پاسخ آهسته و اثر خود گرمایشی
•    هزینه بالا و نصب پیچیده
•    شکنندگی و حساس به خوردگی

RTD ها در کاربردهای بسیاری استفاده می شوند که به دقت بالا، حساسیت بالا و دریفت کم نیاز دارند. برخی از نمونه‌ها عبارتند از: سیستم‌های هوافضا، پزشکی، دارویی، فرآوری مواد غذایی و سیستم‌های HVAC.

ترمیستورها

ترمیستورها یکی دیگر از انواع سنسور دما هستند که با تشخیص تغییرات مقاومت در اثر تغییرات دما، دما را اندازه گیری می‌کنند. از مواد نیمه‌هادی سرامیکی یا پلیمری ساخته می‌شوند که تغییر مقاومت بالایی در هنگام تغییر دما دارند. مقاومت را می‌توان با اهم متر یا پل وتستون اندازه گیری کرد و با استفاده از جدول یا معادله کالیبراسیون به مقدار دما تبدیل کرد.

 مزیت ها:

• حساسیت بالا و زمان پاسخ سریع
• کم هزینه و اندازه کوچک
• نصب و راه اندازی ساده
• ثبات و قابلیت اطمینان خوب

با این حال، ترمیستورها دارای معایبی نیز هستند، مانند:

• غیر خطی و طیف محدود اندازه گیری (از 55- درجه سانتیگراد تا 150+ درجه سانتیگراد)
• منبع تغذیه خارجی و جبران سازی مقاومت سیم‌های پایه سنسور
• اثر خود گرمایی و پدیده پیری سنسور
• کالیبراسیون و استانداردسازی

این محصول در بسیاری از کاربردها استفاده می‌شوند که نیاز به حساسیت بالا، زمان پاسخ سریع و هزینه کم دارند. برخی از نمونه‌ها عبارتند از شارژر باتری، سیستم اعلام حریق، یخچال، فریزر و سیستم‌های تهویه مطبوع.

سنسورهای مادون قرمز

سنسورهای مادون قرمز یکی دیگر از انواع سنسور دما هستند که با تشخیص تشعشعات فروسرخ ساطع شده از یک جسم، دما را اندازه گیری می‌کنند. حسگرهای مادون قرمز نیازی به تماس فیزیکی با جسم ندارند و می‌توانند دمای سطح جسم را اندازه گیری کنند. تشعشعات مادون قرمز را می‌توان توسط یک آشکارساز نوری یا یک ترموپیل تشخیص داد و به سیگنال ولتاژ متناسب با دما تبدیل کرد.

سنسورهای مادون قرمز چندین مزیت دارند، از جمله:

1. اندازه گیری غیر تماسی و سنجش از دور
2. دقت بالا و زمان پاسخگویی سریع
3. محدوده دمایی گسترده (از 70- درجه سانتیگراد تا 3000+ درجه سانتیگراد)
4. بدون نیاز به منبع تغذیه خارجی

با این حال، سنسورهای مادون قرمز نیز دارای معایبی هستند، مانند:

1. حساسیت به عوامل محیطی مانند گرد و غبار یا رطوبت
2. کالیبراسیون و تصحیح جهت دریافت تشعشعات
3. هزینه بالا و نصب پیچیده
4. تداخل با سایر منابع تابش مادون قرمز

سنسورهای مادون قرمز در بسیاری از کاربردهایی که نیاز به اندازه گیری بدون تماس، دقت بالا و زمان پاسخ سریع دارند، استفاده می شود. برخی از نمونه‌ها شامل دوربین‌ها، کنترل‌های از راه دور، دستگاه‌های دید در شب، سیستم‌های امنیتی و pyrometers (دماسنجی اجسام دور)هستند.

سنسورهای مدار مجتمع (IC)

یکی دیگر از انواع سنسور دما سنسورهای آیسی هستند که با استفاده از خواص فیزیکی ترانزیستور دما را اندازه‌گیری می‌کنند. این سنسورهای آی سی می‌توانند سیگنال‌های خروجی آنالوگ یا دیجیتال را متناسب با دما ارائه دهند. سنسورهای آیسی بسته به اینکه دمای قالب خود را اندازه می‌گیرند یا دمای یک ترانزیستور خارجی می‌توانند محلی یا از راه دور باشند.

 مزیت ها :

• کم هزینه و اندازه کوچک
• دارای خروجی ولتاژی یا جریانی استاندارد یا خروجی دیجیتال
• خروجی خطی و تکرارپذیری خوب
• رابط‌های ارتباطی مختلف

با این حال، سنسورهای آی سی دارای معایبی نیز هستند، از جمله:

• محدوده دما محدود (از 55- درجه سانتیگراد تا 150+ درجه سانتیگراد)
• نیاز به منبع تغذیه خارجی و کالیبراسیون

آیسی‌های سنسور دما در بسیاری از کاربردها استفاده می‌شوند که به هزینه کم، اندازه کوچک و خروجی مستقیم و بدون مدارات واسط نیاز دارند. برخی از نمونه‌ها بردهای الکترونیکی، کامپیوتر، گوشی‌های هوشمند و سیستم‌های خودرو هستند.

انواع آی سی سنسور دما

آیسی‌های سنسور دما با خروجی آنالوگ
این آیسی‌ها یک ولتاژ یا جریان خروجی تولید می‌کنند که به صورت خطی با دما مرتبط است. آنها را می‌توان به راحتی به مبدل‌های آنالوگ به دیجیتال (ADC) یا میکروکنترلرها متصل کرد. آنها دارای دقت معمولی 1± تا 3± درجه سانتیگراد و وضوح  mV/°C 10 یا µA/°C 1 هستند.

آیسی‌های سنسور دما با خروجی دیجیتال

این آیسی‌ها دارای یک ADC داخلی هستند که دما را به مقدار دیجیتال تبدیل می‌کند. آنها می‌توانند با میکروکنترلرها یا رایانه‌ها با استفاده از پروتکل‌های مختلف مانند I2C، SPI یا 1-Wire ارتباط برقرار کنند. آنها دارای دقت معمولی 0.5± تا 2± درجه سانتیگراد و وضوح 0.0625 درجه سانتیگراد تا 0.5 درجه سانتیگراد هستند.

سنسورهای دمای از راه دو

این آیسی‌ها دمای یک ترانزیستور یا دیود خارجی را که توسط دو سیم به آنها متصل است اندازه گیری می کنند. آنها می توانند دمای چندین دستگاه را در یک باس واحد کنترل کنند. آنها دارای دقت معمولی 1± تا 3± درجه سانتیگراد و وضوح 0.125 درجه سانتیگراد تا 0.5 درجه سانتیگراد هستند.

آیسی‌های ترموستات

این آیسی‌ها یک مقایسه کننده داخلی دارند که دما را با یک سِت‌پوینت مقایسه می‌کند و یک سیگنال خروجی تولید می‌کند که می‌تواند برای کنترل فن، بخاری یا خنک کننده استفاده شود. آنها می‌توانند در حالت روشن/خاموش یا در حالت تناسبی کار کنند. آنها دارای دقت معمولی 1± تا 4± درجه سانتیگراد و دارای هیسترزیس 0.5 درجه سانتیگراد تا 10 درجه سانتیگراد هستند.

مدار‌های مورد استفاده برای قرائت سنسور دما

برای قرائت سنسورهای دما، مدارهای مختلفی وجود دارد که با توجه به نوع سنسور و دقت و وضوح مورد نظر می‌توان از آنها استفاده کرد. برخی از مدارهای رایج عبارتند از:

یک :مدار تقسیم کننده ولتاژ

این مدار برای خواندن سنسورهای مقاومتی دمایی مانند RTD و ترمیستور استفاده شده. سنسور به صورت سری با یک مقاومت ثابت و یک منبع ولتاژ ثابت متصل می‌شود  با تغییرات دمایی ولتاژ سنسور متناسب با مقاومت آن  که با دما تغییر می‌کند، متناسب می‌گردد. ولتاژ دو سر سنسور را می‌توان با مبدل آنالوگ به دیجیتال (ADC) یا میکروکنترلر اندازه گیری کرد.

دو : مدار پل وتستون

از این مدار برای بهبود دقت و حساسیت سنسورهای دمایی مقاومتی استفاده می‌شود. سنسور در یک بازوی یک مدار پل متعادل متصل می‌گردد، در حالی که بازوهای دیگر دارای مقاومت‌های ثابت هستند. هنگامی که مقاومت سنسور با مقاومت مرجع مطابقت داشته باشد، ولتاژ خروجی پل صفر است. هنگامی که مقاومت سنسور با دما تغییر می‌کند، ولتاژ خروجی پل غیر صفر می‌شود و می توان آن را با یک ADC یا یک میکروکنترلراندازه گیری کرد.

سه : مدار تقویت کننده

این مدار برای تقویت سیگنال ولتاژی کوچک در سنسورهای ترموکوپل استفاده می‌شود. اتصال ترموکوپل ولتاژی تولید می‌کند که متناسب با اختلاف دمای بین محل اتصال و نقطه مرجع است. ولتاژ خروجی ترموکوپل را باید قبل از اندازه گیری توسط یک ADC یا یک میکروکنترلر تقویت کرد. معمولا برای تقویت سیگنال خروجی ترموکوپل از یک تقویت کننده عملیاتی (op-amp) یا یک تقویت کننده ابزار دقیقی (INA) استفاده می‌شود.

چهار : مدار جبران ساز اتصال سرد

از این مدار برای جبران اختلاف دمای محل اتصال ترموکوپل و نقطه مرجع استفاده می‌شود که بر دقت اندازه گیری ترموکوپل تأثیر می‌گذارد. مدار از سنسور دما دیگری مانند سنسور آیسی یا ترمیستور برای اندازه گیری دمای مرجع و تنظیم ولتاژ ترموکوپل بر اساس آن استفاده می‌کند. ولتاژ جبران شده  ADC یا میکروکنترلر اندازه گیری کرد.

قیمت انواع سنسورهای الکترونیکی

قیمت انواع سنسور الکترونیکی به نوع، کیفیت، دقت و ویژگی‌های سنسور بستگی دارد. منابع آنلاین زیادی است، که مقایسه قیمت و برگه‌های داده را برای انواع مختلف سنسورهای دما ارائه می‌دهند. مانند Amazon و Omega Engineering. در اینجا چند نمونه از محدوده قیمت برخی از انواع رایج سنسورهای دما آورده شده است:

ترموکوپل‌ها

این سنسورها رایج‌ترین نوع سنسور دما هستند و در بسیاری از کاربردهای صنعتی، خودرویی و مصرفی مورد استفاده قرار می‌گیرند. قیمت ترموکوپل‌ها بسته به جنس، اندازه، شکل و دقت سنسور از 1 تا 100 دلار متغیر است.

آشکارسازهای دمای مقاومتی (RTD)

این سنسورها در بسیاری از کاربردهایی که نیاز به دقت بالا، حساسیت بالا و  دریفت کم دارند، استفاده می‌شوند.
این سنسورها در بسیاری از کاربردها استفاده می‌شوند که نیاز به حساسیت بالا، زمان پاسخگویی سریع و هزینه کم دارند. قیمت ترمیستورها بسته به جنس، اندازه، شکل و دقت سنسور از 0.5 تا 10 دلار متغیر باشد.

سنسورهای مادون قرمز

این سنسورها در بسیاری از کاربردهایی که نیاز به اندازه گیری بدون تماس، دقت بالا و زمان پاسخگویی سریع دارند، استفاده می‌شوند.
سنسورهای مدار مجتمع (IC): این سنسورها در بسیاری از کاربردها که نیاز به هزینه کم، اندازه کوچک و خروجی مستقیم دارند.