سنسورهای دما (Temperature Sensors)
سنسور های دما از دسته سنسور های فرایندی هستند که در صنایع گوناگون بسیار پر کاربرد هستند. تقریبا می توان گفت که سنسور های دما جزئی جدایی ناپذیر از صنایع هستند و در هر صنعتی بسته به شرایط و نیاز های صنعتی بایستی از سنسور دمای مناسب با آن استفاده نمود. در بسیاری از تجهیزاتی که در اطراف ما وجود دارد نیز به نوعی از سنسور های دما استفاده شده است. این سنسور ها ساختار و نحوه عملکرد متفاوتی دارند. در یک دسته بندی می توان سنسور های دما را به دو گروه تماسی و غیر تماسی تقسیم بندی کرد. منظور از تماسی یا غیر تماسی بودن، نحوه ارتباط سنسور با ماده مورد اندازه گیری است که آیا با آن در تماس مستقیم است یا دما را بدون تماس وبا فاصله از ماده اندازه گیری میکند.
سنسور های دمای تماسی خود به انواع مختلفی تقسیم می شوند. ترموکوپل ها، RTD ها (Resistance Temperature Detector) و ترمیستورها از معروف ترین سنسور دماهای تماسی هستند. در ادامه هر کدام از این سنسور ها را بررسی خواهیم کرد اما قبل از آن بهتر است با مفهوم ترانسدیوسر(Transducer) و ترانسمیتر(Transmitter) آشنا شویم.
می دانیم که اساس کار تمام سنسور ها بر مبنای تبدیل کمیت های فیزیکی به سیگنال های الکتریکی است. تراندیوسر ها تجهیزاتی هستند که این کار را برای ما انجام می دهند. اما از طرفی هم می دانیم که هر نوع سیگنالی برای کنترل کننده ها (نظیر PLC) قابل درک و پردازش نیست. ترنسمیتر ها تجهیزاتی هستند که سیگنال های خروجی آنها در یکی از بازه های استاندارد جهانی (مثلا 4 تا 20 میلی آمپر یا 0 تا 10 ولت) قرار دارد و میتوان خروجی آنها را مستقیما به کنترل کننده ها وصل کرد. اما خروجی ترانسدیوسر ها لزوما در بازه استاندارد قرار ندارد. در این صورت بایستی از یک ترنسمیتر برای تبدیل این سیگنال ها به مقادیر استاندارد استفاده نمود. امروزه در بسیاری از سنسور ها این ترانسمیتر ها در داخل مدار خود سنسور وجود دارد و در اصطلاح به آنها ترانسمیتر می گویند. به این معنی که این تجهیز یک سنسور با خروجی آنالوگ استاندارد می باشد. اما در بعضی موارد نیز ترنسمیتر ها تنها تجهیزاتی هستند که سیگنال های الکتریکی را به مقادیر استاندارد تبدیل می کنند. پیشنهاد می شود توسط این لینک بیشتر در رابطه با این مفاهیم مطالعه بفرمایید.
ترموکوپل:
ترموکوپل ها متشکل از دوسیم فلزی غیر هم جنس هستند که از یک نقطه به هم جوش داده شده اند. در اثر قانون ترمو الکتریک در صورت حرارت دادن نقطه اتصال این دو سیم یک اختلاف ولتاژ بسیار کوچک بین دو سر آزاد ایجاد می شود که متناسب با دمای اعمال شده می باشد. با اندازه گیری این اختلاف ولتاژ می توان به مقدار دما پی برد.
ترموکوپل ها با توجه به جنس سیم های انتخابی داخل آن به انواع مختلفی دسته بندی می شوند که برخی از مهم ترین های آنها عبارت اند از: R – T – K – B – E – S – J که هر کدام از این تیپ ها رنج دمایی و خواص خاص خود را دارند.
RTD:
RTD از یک عنصر مقاومت و سیمهای مسی عایق بندی شده تشکیل شده است. این عنصر معمولا از جنس پلاتین می باشد. سنسور های pt100 و pt1000 از دسته سنسور های نوع RTD هستند که عنصر مقاومتی آنها از جنس پلاتین بوده و مقاوت الکتریکی آنها در دمای اتاق به ترتیب برابر با 100 و 1000 اهم است. با افزایش دما مقدار مقاومت نیز افزایش یافته و می توان این مقدار را توسط مدارات مخصوص آشکار ساخت.
سنسور های RTD در انواع دو سیمه، سه سیمه و چهارسیمه ساخته می شوند و سنسور های با تعداد سیم بیشتر دقت بالاتری نیز دارند.
ترمیستور:
ترمیستورها مقاومت های الکتریکی حساس به دما هستند که مقدار مقاومت آنها با تغییرات دما افزایش یا کاهش می یابد. این سنسور ها متشکل از ترکیب دو یا چند نوع پودر مواد نیمه رسانا هستند که بسته به نوع مواد تشکیل دهنده آن تغییرات مقاومتی آنها افزایشی و یا کاهشی است. این نوع سنسور ها اندازه هایی بسیار کوچکتر نسبت به ترموکوپل ها و RTD ها دارند.
همانطور که پیشتر ذکر گردید، ترمیستور ها نسبت به افزایش دما واکنش متفاوتی دارند. برخی از آنها با افزایش دما مقاومتشان بیشتر شده و اصطلاحا ضریب حرارتی مثبت دارند و برخی دیگر با افزایش دما مقاومتشان کمتر میگردد و ضریب حرارتی منفی دارند. ترمیستور های با ضریب حرارتی مثبت را با عبارت PTC (Positive Temperature Coefficient)و ترمیستور های با ضریب حرارتی منفی را با عبارت NTC (Negative Temperature Coefficient)مشخص می کنند.
به طور کلی می توان گفت که ترمیستور ها بالاترین دقت و ترموکوپل ها بیشترین محدوده قابل اندازه گیری را در میان سنسور های دما دارند.
نکته قابل توجه در مورد تمامی سنسور های ذکر شده آن است که خروجی های آنها مقادیر استاندارد و قابل فهم برای کنترل کننده ها نیستند. بدین منظور برای استفاده از این سنسور ها نیاز به اضافه کردن کارت های مخصوص به پی ال سی بوده و یا باید از تجهیزات جانبی دیگری که بتواند این مقادیر را به سیگنال های استاندارد تبدیل کند استفاده نمود.
اما برخی برندها سنسور هایی طراحی نموده اند که مدارات داخلی مورد نیاز جهت تبدیل مقادیر اندازه گیری شده به سیگنال های استاندارد را دارند و با استفاده از آنها دیگر نیاز به کارت ها و تجهیزات مخصوص سنسور دما نیست. به عنوان نمونه سنسور های سری TN و TC و TD برند ifm سنسور های دمای با خروجی های آنالوگ و دیجیتال استاندارد هستند.
سنسور دمای غیر تماسی:
در برخی از کاربرد ها به دلیل دمای بیش از حد پروسه صنعتی و یا دلایل دیگر استفاده از سنسور های تماسی ممکن نیست. به طور کلی تمامی اشیائی که دمایی بالاتر از صفر مطلق داشته باشند از خود امواج مادون قرمز ساطع می کنند. که مقدار این امواج با دمای آن رابطه دارد. سنسور های غیر تماسی مادون قرمز با اندازی گیری شدت این امواج میتوانند مقدار دمای جسم را تخمین بزنند.
سنسور های سری TW از برند ifm قابلیت اندازه گیری دما تا حداکثر مقدار 2500 درجه سانتی گراد را دارند.
برای انتخاب سنسور دمای مورد نظر بایستی کاربرد و نوع سنسور را بدانیم. رنج دمایی سنسور و نحوه استفاده از سنسور نیز از مهم ترین پارامتر ها هستند. همچنین نوع ترموکوپل و تعداد سیم های RTD ها از مهم ترین پارامتر ها می باشند.
دو سنسور دمای پر کاربرد
1-سنسور TW2001
- سنسور دمایی مادون قرمز بدون نیاز به تماس مستقیم با سطح
- قطر سنسور M30
- ولتاژ عملکرد32 – 18 ولت DC ، جریان مصرفی کمتر از mA 50 میلی آمپر
- صفحه نمایش 7 segment
- بازه اندازه گیری دما 250…1600 °C
- طول موج 1.0…1.7 µm
- خروجی آنالوگ/سوئیچینگ برنامه پذیر N.C و N.O
- پاسخ زمانی سوئیچینگ کمتر از 2 میلی ثانیه در دمای بالاتر از 600 درجه سانتیگراد
- محافظت شده در برابر اتصال قطب معکوس ، اضافه بار و اتصال کوتاه
- استاندارد IP 65
- کانکتور استاندارد M12
- ساخته شده از استیل ضد زنگ
2-سنسور TR2439
- ماژول کنترلر جهت سنسورهای دما
- صفحه نمایش 4-digit
- بازه اندازه گیری دما -40…300 °C
- ولتاژ عملکرد32 – 18 ولت DC ، جریان مصرفی کمتر از50 میلی آمپر
- خروجی آنالوگ/سوئیچینگ برنامه پذیر N.C و N.O
- پاسخ زمانی سوئیچینگ کمتر از 390 میلی ثانیه
- محافظت شده در برابر اتصال قطب معکوس ، اضافه بار و اتصال کوتاه
- استاندارد IP 67
- کانکتور استاندارد M12
- ساخته شده از استیل ضد زنگ