انواع سنسورهای دما
انواع سنسورهای دما
سنسورهای دمای خودرو برای اندازه‌گیری دما در بسیاری از مکان‌های خودرو استفاده می‌شوند و معمولاً از یک ترمیستور (مقاومت حساس به حرارت)، ترموکوپل، آشکارساز دمای مقاومت (RTD) یا دستگاه مادون قرمز تشکیل می‌شوند. معمولاً از ترموکوپل ها برای اندازه گیری دمای بالاتر (مانند دمای گازهای خروجی) و سنسورهای مادون قرمز در مواردی که تماس مستقیم با جسم مورد سنجش نامطلوب است استفاده می شود.
سنسور دمای موتور
این سنسور در مدار خنک کننده نصب می شود. ماژول کنترل موتور از سیگنال خود برای تعیین دمای موتور استفاده می کند. محدوده اندازه گیری این نوع سنسور معمولا از 40- درجه تا 130+ درجه سانتیگراد است.
سنسور دمای هوا
سنسور دمای هوا در منیفولد ورودی نصب می شود و برای اندازه گیری دمای هوای ورودی موتور استفاده می شود. ماژول کنترل موتور از دما و فشار هوا برای محاسبه جرم هوای ورودی استفاده می کند. محدوده اندازه گیری این نوع سنسور معمولا از 40- درجه سانتیگراد تا 120+ درجه سانتیگراد است.
سنسور دمای روغن موتور
این سنسور برای محاسبه دمای روغن موتور استفاده می شود. محدوده اندازه گیری سنسور دمای روغن موتور به طور کلی از -40 درجه تا +170 درجه سانتیگراد است.
سنسور دمای گاز اگزوز
سنسور دمای گاز خروجی معمولاً از یک مقاومت اندازه گیری پلاتینیوم استفاده می کند. علت سرد وگرم شدن اب پکیج
اطلاعات این سنسور برای تنظیم سیستم گردش گازهای خروجی در موتور استفاده می شود. این سنسور در سیستم اگزوز موتور نصب شده است. محدوده اندازه گیری معمولا از -40 درجه تا +1000 درجه سانتیگراد است.
شناخت انواع سنسور دما در صنعت یکی از اهدف مهم صنعتی به شمار می آید که
در صنایع مختلف اصول آن بایستی به دقت پیاده سازی و ساز و کار آن توسط مهندسان و فعالین در صنعت فراگرفته شود.
سنسورهای دما یکی از تجهیزات پر کاربرد سیستم های صنعتی هستند،
به همین دلیل آشنایی با آن ها و تفاوت هایشان بسیار مهم است.
در این مقاله ابتدا انواع سنسور دما را معرفی و سپس به بررسی نحوه عملکرد چند سنسور متداول در صنعت خواهیم پرداخت و
در نهایت مهمترین روش های کنترلی دما را معرفی خواهیم کرد.
1# سنسور دما چیست؟
اگر با واژه سنسور یا حسگر از قبل آشنا باشید می دانید که این تجهیزات الکتریکی ابزارهایی هستند که
یک پارامتر مورد نظر ما را اندازه گیری کرده و به صورت کمیتی الکتریکی به سیستم کنترلی بر می گردانند.
سنسور دما هم یکی از انواع این خانواده است که برای اندازه گیری دما استفاده می شود.
این تجهیزات می توانند دمای جامدات، مایعات و گاز ها را اندازه بگیرند.
1-1# اجزای اصلی یک سیستم کنترلی
سیستم های کنترلی در حالت کلی طبق شکل زیر اصولا از سه جزء اصلی ورودی – کنترل کننده و خروجی تشکیل شده است.
طبق شکل بالا در ابتدای پروسه و در ورودی سیستم های کنترلی ما نیازمند به دانستن داده های اولیه هستیم.
این داده ها همان شرایط فعلی سیستم های تحت کنترل هستند،
با کمک این داده ها و با استفاده از فرامین کنترلی که در بخش کنترل کننده ارائه می گردد بایستی به شرایط و حالت مطلوب در خروجی مدنظر رسید.
یکی از روش های دریافت ورودی این سیستم استفاده از سنسور هاست.
2# انواع سنسور دما
سنسورهای دما نیز مانند همه سنسورهای دیگر به دو دسته اصلی تماسی و غیر تماسی تقسیم می شوند.
1. سنسورهای غیر تماسی دما
سنسورهای غیرتماسی، سنسورهایی هستند که با فاصله از جسم و بدون اتصال با آن ها عمل می کنند.
به عنوان مثال با نزدیک شدن یک قطعه وجود آن را حس کرده و با ارسال سیگنال الکتریکی باعث باز و بسته شدن کنتاکت های یک رله می شوند.
2. سنسورهای تماسی
سنسورهای تماسی به سنسورهایی اطلاق می گردند که
در تماس فیزیکی با جسم مورد نظر، کمیت فیزیکی از جمله دما، فشار و حرارت آن را حس کرده و
سیگنال الکتریکی را جهت اعمال کنترلی ارسال می کند.
در ادامه به معرفی انواع سنسورهای دما بر اساس عملکرد می پردازیم.
3# متداول ترین انواع سنسور دما
سنسورهای دما انواع بسیار متنوعی دارند که هر کدام در سرعت اندازه گیری دما و دقت میزان اعلام شده تفاوت هایی دارند.
در ادامه 4 مورد از مهم ترین و رایج ترین انواع سنسور دما را بررسی می کنیم که
به ترتیب از بالا به پایین دارای سرعت پاسخدهی و دقت بیشتری هستند.
- ترمیستورهای ضریب دمای منفی (NTC)
- آشکارسازهای دمای مقاومتی (RTD)
- ترموکوپل ها
- سنسورهای مبتنی بر نیمه هادی
1-3# انواع سنسور دمای NTC
این نوع از سنسور ها از خانواده ترمیستور ها هستند که با تغییر دما در میزان مقاومت آن ها تغییر ایجاد می شود.
این سنسور ها دارای 2 سیم هستند که به راحتی می توانند در مدار الکتریکی قرار بگیرند.
بازه عملکردی سنسورهای NTC حتی براساس تغییرات دمای خیلی کم بسیار دقیق است و
با تغییر جزئی دما در خروجی مقدار دقیق دما را خواهیم داشت.
به همین علت است که از NTC ها در مواردی مثل تب سنج های پزشکی که میزان تغییرات بر حسب درجه سلسیوس میزان کمی ممکن است باشد اما دقت بالا لازم دارد، استفاده می شود.
در مقابل این دقت بالا و حساسیت زیاد به تغییرات جزئی دما، NTC ها دارای بازه محدود عملکردی هستند و
فقط دماهای حدود -50 درجه تا 200 درجه را می توانند اندازه گیری کنند.
2-3# انواع سنسور دما RTD
اندازه گیری دما با RTD یکی دیگر از روش های اندازه گیری دما در صنعت است.
در این نوع سنجش دما از اثر مقاومت استفاده می‌شود به طوری که مقاومت رابطه مستقیم با دما دارد.
به عبارتی دیگر با افزایش دما در فلزات افزایش مقاومت را خواهیم داشت و برعکس.
از این رو در یک RTD با اندازه گیری مقاومت یک فلز، دمای آن تعیین می‌شود.
در سنسور RTD که یک سنسور دما می باشد سیگنال خروجی ما به صورت یک سیگنال مقاومتی است.
با قرار دادن RTD در یک بازوی پل وتستون می توان سیگنال مقاومتی را به یک سیگنال ولتاژ تبدیل نمود و از آن استفاده کرد.
در یک مدار پل وتسون چنانچه تمامی مقاومت ها هر سیم پیچ یکسان باشند، مقدار جریان عبوری از هر سیم پیچ یکسان است.
و در نهایت افت ولتاژ در وسط مدار Vout مقدار صفر ولت را نشان خواهد داد.
حال اگر سنسور RTD را به دو سر a,b متصل کنیم، می توانیم تغییرات دما و در نهایت تغییرات مقاومت سنسور را با تغییرات افت ولتاژ مدار پل وتسون رصد کنیم.
ترموکوپل ها بر این اصل کار می کنند که ولتاژی که با دما تغییر می کند را می توان از اتصال دو فلز غیرمشابه که به هم متصل شده اند تولید کرد. ترموکوپل ها را می توان در مواقعی که زمان پاسخگویی بسیار سریع مورد نیاز است مورد استفاده قرار داد.
RTDها برای تشخیص تغییرات دما به رفتار مقاومت حرارتی فلزات خاصی (معمولاً پلاتین، نیکل یا مس) متکی هستند. RTD ها به تغییرات دما بسیار خطی پاسخ می دهند و می توانند به دقت خوبی دست یابند.
ترمیستورها از مواد نیمه هادی ساخته می شوند که مقاومت آن با دما متفاوت است. ترمیستورها دو تغییر دارند: ضریب دمایی مثبت (PTC) و ضریب دمایی منفی (NTC). این انواع به جهت تغییر مقاومت با توجه به افزایش دما اشاره دارد. به عنوان مثال، مقاومت یک نوع PTC با افزایش دما افزایش می یابد. یک نوع NTC برعکس رفتار خواهد کرد. ترمیستورها معمولاً دارای محدودیت دمایی کمتری نسبت به ترموکوپل یا RTD هستند، اما کمتر مستعد تداخل سیگنال هستند.
هرچقدر دما و حرارت دو سر سنسور بیشتر باشد؛ چون دما با مقاومت رابطه خطی دارد مقاومت افزایش می یابد و
اگر چنانچه مقدار مقاومت سنسور از مقاومت های مدار پل وتسون فاصله گرفت، افت ولتاژ زیادتر شده که
می توان بر اساس منحنی مشخصه ولتاژ برحسب دمای سنسور، مقدار دمای سیستم تحت کنترل را به دست آورد.
1) جنس RTD ها از چیست؟
RDT ها می توانند از فلزات مختلفی ساخته شوند.
ولی آن چیزی که باید مورد توجه باشد این است که فلز مورد استفاده باید نقطه ذوب بالایی داشته باشد و در مقابل خوردگی مقاوم باشد.
از مهمترین فلزاتی که برای ساخت RTD ها استفاده می شود پلاتین، نیکل و مس را می توان نام برد.
پلاتین بهترین فلز برای استفاده در RTD می باشد؛ چون رابطه بین مقاومت و دمای آن کاملاً خطی است.
در مس نیز این رابطه نسبتاً خطی می‌باشد ولی دامنه اندازه گیری آن کمتر از پلاتین است.
حساسیت نیکل مورد استفاده در RTD بیشتر می باشد؛
ولی برای دماهای بیشتر از 400 درجه رابطه به شدت غیرخطی است.
این نوع سنسورها قابلیت اندازه گیری دما از 200 درجه تا 600 درجه را دارند که در کلاس ها و دقت های مختلفی تولید می شوند.
3-3# ترموکوپل
ترموکوپل ها یکی از پرکاربردترین انواع سنسور دما محسوب می شوند.
در صنعت به طور متداول جهت سنجش دما مورد استفاده قرار می گیرند.
این نوع سنسورها جزء سنسورهای تماسی محسوب می شوند.
ساز و کار ترموکوپل ها به اینگونه است که دو فلز غیر هم جنس در نقطه ای بهم دیگر اتصال داده می شوند.
زمانی که محل اتصال تحت حرارت قرار بگیرد، بارهای الکتریکی در دو فلز شروع به حرکت کرده و
در دو سر آزاد آن ولتاژی ایجاد می گردد.
این پدیده، به پدیده ترموالکتریک یا seebeck معروف است.
ولتاژ ایجاد شده در دو سر آزاد ناچیز بوده و تابع دما، حرارت و جنس دو فلزی که بهم دیگه اتصال داده می شوند، است.
از این رو با اندازه گیری ولتاژ دو سر آزاد در خروجی می توان دما و میزان حرارت اعمال شده را اندازه گیری کرد.
نکته مهم این که باید دو سر آزاد ترموکوپل را توسط سیم های بلندتری افزایش داد تا بتوان سنسور را به محلی که قرار است دمای آن نقطه را بسنجیم انتقال داد.
به این نقطه اتصال مرجع یا نقطه سرد می گویند.
در شکل زیر دمای T2 دمایی است که ترموکوپل اندازه می گیرید و
دمای T3 دمایی نقطه مرجع یا نقطه سرد و دقیقا همان جایی که دو سرترکوپل را به تجهیزات مورد نظر متصل می کنیم.
4-3# سنسورهای دما مبتنی بر نیمه هادی
این نوع از سنسورهای دما معمولا داخل یک IC قرار داده شده اند.
این سنسورها از دو دیود مشابه با مشخصه ولتاژ حساس به دما در برابر جریان برای مشاهده تغییرات دما استفاده می کنند.
انواع سنسورهای نیمه هادی پاسخ دهی خطی نسبت به بازه گسترده ای از تغییرات دما دارند؛
اما دقت اندازه گیری آن ها نسبت به سایر سنسورهای دما بسیار کمتر است و
در بازه های دمایی مشابه هم سرعت پاسخ دهی کمتری نسبت به سنسورهای مطرح شده دارد.
4# استفاده از انواع سنسور دما دقت بالا در محیط صنعتی
در ویدیوی زیر یکی از کاربردهای سنسور دمای دقیق در صنعت را مشاهده می کنیم:
سنسور دمای سوخت
سنسورهای دمای سوخت در امتداد سیستم تحویل سوخت قرار دارند و بازخورد PCM را در مورد وضعیت سیستم سوخت ارائه می دهند. محدوده دمایی این سنسورها بین -40 تا 160 درجه سانتیگراد است.
سنسور دمای سیال انتقال
این سنسور بر روی بدنه سوپاپ گیربکس های اتوماتیک قرار دارد و برای اندازه گیری دمای سیال گیربکس استفاده می شود. محدوده اندازه گیری این سنسور تقریباً -40 درجه تا 210 درجه است.
سنسور دمای لاستیک و دیسک ترمز
این حسگرها معمولاً در ناحیه ای در اطراف پوشش لاستیک قرار دارند، جایی که سنسور می تواند تشعشعات ساطع شده از لاستیک یا دیسک ترمز را "مشاهده" کند. از آنجایی که تماس مستقیم با این عناصر مطلوب نیست، چرا اب پکیج سرد و گرم می شود ؟
معمولاً از سنسورهای دمای مادون قرمز استفاده می‌شود (پیوند سیستم‌های الکترونیک مک لارن را در اطلاعات بیشتر در زیر ببینید).
سنسور دمای هیتر کمکی
برخی از سیستم های کمکی (مانند گرمکن صندلی) که ممکن است بر روی وسایل نقلیه خاصی نصب شوند، یک سنسور دما نیز برای همراهی آنها خواهند داشت. این حسگرها بازخورد لازم برای کنترل این سیستم ها را فراهم می کنند.
سنسور دمای بیرونی
سنسور دمای بیرونی به افراد داخل وسیله نقلیه اجازه می دهد تا دمای خارج از خودرو را بدانند. اغلب در اطراف ناحیه سپر جلو قرار دارد.
سنسور دمای کابین
سنسور دمای کابین معمولا در اطراف یا درون ستون فرمان یافت می شود. دمای داخل خودرو را اندازه‌گیری می‌کند، که به سیستم HVAC سیگنال می‌دهد که دما را برای متناسب با محدوده دمایی مورد نظر افزایش یا کاهش ده
