معرفی انواع سنسور دما و کاربرد آنها

اندازه‌گیری دما یکی از اساسی‌ترین کارها در صنعت و زندگی روزمره ماست. از کنترل دمای یک کوره صنعتی گرفته تا تنظیم ترموستات خانه، همه به ابزاری دقیق برای سنجش گرما و سرما نیاز دارند. اینجا است که پای سنسورهای دما به میان می‌آید. انتخاب یک سنسور نامناسب می‌تواند به راحتی منجر به خرابی تجهیزات، افت کیفیت محصول یا حتی هدررفت انرژی شود. به همین دلیل، شناخت انواع سنسور کنترل دما و درک تفاوت‌های آنها اهمیت زیادی دارد.

سنسور دما چیست؟

اگر بخواهیم به ساده‌ترین شکل ممکن توضیح دهیم، سنسور دما یک مترجم است. این قطعه الکترونیکی، کمیت فیزیکی دما را که برای دستگاه‌های الکترونیکی غیرقابل فهم است، به یک سیگنال الکتریکی خوانا تبدیل می‌کند. این سیگنال می‌تواند به صورت تغییر در ولتاژ، جریان یا مقاومت الکتریکی باشد. فکر کنید می‌خواهید دمای آب در حال جوش را به یک کامپیوتر اطلاع دهید؛ کامپیوتر عدد «۱۰۰ درجه سانتی‌گراد» را مستقیما درک نمی‌کند، اما می‌تواند یک سیگنال الکتریکی مشخص را بخواند. سنسور دما دقیقا همین کار را انجام میدهد، زبان فیزیک را به زبان الکترونیک ترجمه می‌کند.

این قطعات بخشی از یک سیستم کنترلی بزرگتر هستند. در هر فرآیند کنترلی، سه بخش اصلی وجود دارد: ورودی (سنسور)، کنترل‌کننده (پردازنده) و خروجی (عملگر). سنسور دما به عنوان چشم سیستم عمل کرده و اطلاعات اولیه از وضعیت محیط را به بخش کنترل‌کننده می‌فرستد. سپس کنترل‌کننده بر اساس این اطلاعات تصمیم می‌گیرد که مثلا یک هیتر را روشن یا خاموش کند. بنابراین، دقت و صحت اطلاعاتی که از انواع سنسور های دما دریافت می‌شود، مستقیما بر عملکرد کل سیستم اثر می‌گذارد.

همچنین بخوانید: سنسور القایی چیست

کاربرد های سنسور دما

شاید تصور کنید سنسورهای دما فقط در محیط‌های صنعتی و آزمایشگاه‌های پیشرفته پیدا می‌شوند، اما این قطعات کوچک در جای جای زندگی ما حضور دارند. از لوازم خانگی ساده گرفته تا پیچیده‌ترین فرآیندهای تولیدی، همگی به نوعی به این حسگرها برای عملکرد صحیح خود وابسته‌اند.

نقش سنسورهای حرارتی در صنعت

در محیط‌های صنعتی، کنترل دما فقط یک گزینه نیست، یک ضرورت است. در صنایع نفت و گاز، دمای سیالات در خطوط لوله باید به طور مداوم پایش شود تا از ایمنی و بهینگی فرآیند اطمینان حاصل گردد. در کارخانه‌های تولیدی، دمای کوره‌ها، قالب‌ها و تجهیزات مختلف مستقیما بر کیفیت محصول نهایی اثر میگذارد. صنایع شیمیایی و دارویی نیز برای کنترل واکنش‌ها و نگهداری مواد، به شدت به سنسورهای دمای دقیق و پایدار وابسته‌اند. در نیروگاه‌ها، دمای تجهیزاتی مانند توربین‌ها و ژنراتورها برای جلوگیری از خرابی و افزایش طول عمر آنها به طور دائم اندازه‌گیری می‌شود.

سنسور دما در لوازم خانگی و زندگی روزمره

نگاهی به اطراف خود بیندازید. ترموستات سیستم تهویه مطبوع (HVAC) خانه شما از یک سنسور دما برای تنظیم گرمایش و سرمایش استفاده می‌کند. یخچال و فریزر برای ثابت نگه داشتن دمای داخلی به این حسگرها نیاز دارند. اجاق گاز، مایکروویو و حتی قهوه‌ساز شما همگی برای پخت و پز دقیق، دمای داخلی خود را با کمک سنسورهای دما کنترل می‌کنند. این کاربردها نشان می‌دهد که انواع سنسور های دما چگونه به صورت نامحسوس، آسایش و ایمنی را به زندگی روزمره ما آورده‌اند.

اهمیت سنسور دما در پزشکی و کشاورزی

در حوزه پزشکی، دقت در اندازه‌گیری دما بسیار مهم است. تب‌سنج‌های دیجیتال که دمای بدن را با سرعت و دقت بالا نشان می‌دهند، از انواع حساس سنسورهای دما استفاده می‌کنند. تجهیزات آزمایشگاهی و دستگاه‌های نگهداری دارو و نمونه‌های بیولوژیک نیز برای حفظ شرایط استاندارد، به کنترل دقیق دما نیاز دارند. در بخش کشاورزی، از این سنسورها برای اندازه‌گیری دمای خاک، هوا و آب در گلخانه‌ها استفاده می‌شود تا شرایط بهینه‌ای برای رشد گیاهان فراهم شود و بهره‌وری محصولات کشاورزی افزایش یابد.

جهت خرید و تهیه المان سرد کننده کلیک کنید.

نحوه کار سنسور های دما

سنسورهای دما با وجود ظاهر متفاوتی که دارند، همگی بر اساس یک اصل مشترک کار می‌کنند: یک خاصیت فیزیکی قابل اندازه‌گیری در آنها با تغییر دما، تغییر می‌کند. وظیفه اصلی سنسور، تشخیص این تغییر و تبدیل آن به یک سیگنال الکتریکی است. مغز متفکر پشت این فرآیند، علم مواد است. مواد مختلف در برابر حرارت و سرما واکنش‌های متفاوتی از خود نشان می‌دهند و مهندسان از همین واکنش‌ها برای ساخت انواع سنسور دما استفاده کرده‌اند.

برای مثال، در برخی از انواع سنسور حرارتی، با افزایش دما، مقاومت الکتریکی یک فلز خاص به صورت قابل پیش‌بینی افزایش می‌یابد. با اندازه‌گیری این مقاومت، می‌توان دما را محاسبه کرد. در نوع دیگری از سنسورها، حرارت دادن به محل اتصال دو فلز غیرهمجنس، باعث ایجاد یک ولتاژ بسیار کوچک می‌شود. این ولتاژ با دما رابطه مستقیم دارد و با اندازه‌گیری آن، می‌توان به دمای نقطه اتصال پی برد. این اصول فیزیکی، پایه‌های اصلی عملکرد سنسورهای دما هستند و تفاوت در استفاده از همین اصول است که منجر به ساخت مدل‌های گوناگون با ویژگی‌های متفاوت شده است.

 

انواع سنسور دما

وقتی صحبت از انتخاب سنسور دما می‌شود، گزینه‌های زیادی روی میز قرار دارد. هر کدام از این گزینه‌ها ویژگی‌ها، مزایا و معایب خاص خود را دارند و برای کاربردهای متفاوتی طراحی شده‌اند. شناخت این تفاوت‌ها اولین قدم برای انتخاب یک سنسور مناسب است. در ادامه به بررسی سه مورد از رایج‌ترین انواع سنسور های دما یعنی ترموکوپل، RTD و ترمیستور و همچنین نگاهی به سایر مدل‌ها می‌پردازیم.

ترموکوپل‌ها (Thermocouples) انتخاب اول برای دماهای بالا

ترموکوپل‌ها یکی از پرکاربردترین سنسورها در صنعت هستند، به خصوص در جاهایی که با دماهای بسیار بالا سر و کار داریم. اساس کار آنها بر پدیده‌ای به نام «اثر سیبک» استوار است. وقتی دو سیم از دو فلز متفاوت (مثلا آهن و کنستانتان) را از یک سر به هم جوش دهید و به این نقطه حرارت بدهید، در دو سر آزاد سیم‌ها یک اختلاف ولتاژ کوچک در حد میلی‌ولت ایجاد می‌شود. مقدار این ولتاژ مستقیما با دمای محل اتصال (نقطه داغ) متناسب است.

بزرگترین مزیت ترموکوپل‌ها، محدوده اندازه‌گیری بسیار وسیع آنهاست. برخی از انواع ترموکوپل می‌توانند دماهایی از منفی ۲۰۰ درجه تا بیش از ۲۰۰۰ درجه سانتی‌گراد را اندازه‌گیری کنند. علاوه بر این، قیمت آنها نسبتا ارزان است، ساختار محکمی دارند و به تغییرات دما به سرعت پاسخ می‌دهند. با این حال، دقت آنها معمولا از سنسورهای RTD کمتر است و سیگنال خروجی آنها به نویز حساس‌تر است.

نوع ترموکوپل	فلزات تشکیل‌دهنده	محدوده دمایی (تقریبی)
نوع K	کرومل – آلومل	200- تا 1250+ درجه سانتی‌گراد
نوع J	آهن – کنستانتان	40- تا 750+ درجه سانتی‌گراد
نوع T	مس – کنستانتان	200- تا 350+ درجه سانتی‌گراد
نوع S	پلاتین/رودیوم – پلاتین	0 تا 1450+ درجه سانتی‌گراد

سنسورهای مقاومتی RTD دقت و پایداری در اولویت

RTD مخفف عبارت “Resistance Temperature Detector” به معنای آشکارساز دمای مقاومتی است. همانطور که از نامش پیداست، اساس کار این سنسور بر تغییر مقاومت الکتریکی یک فلز خالص با تغییر دما بنا شده است. با افزایش دما، مقاومت الکتریکی این فلز نیز به صورت بسیار دقیق و قابل پیش‌بینی افزایش می‌یابد. پلاتین به دلیل رابطه بسیار خطی بین دما و مقاومتش و همچنین پایداری بالا، رایج‌ترین فلز مورد استفاده در ساخت این سنسورهاست.

معروف‌ترین نوع RTD، سنسور PT100 است. حرف Pt نشان‌دهنده پلاتین و عدد 100 به این معناست که مقاومت این سنسور در دمای صفر درجه سانتی‌گراد، دقیقا ۱۰۰ اهم است. سنسورهای RTD به دقت، تکرارپذیری و پایداری بالا در طولانی مدت شهرت دارند. این ویژگی‌ها آنها را به گزینه‌ای عالی برای کاربردهای آزمایشگاهی و فرآیندهای صنعتی که نیاز به دقت بالا دارند، تبدیل کرده است. البته قیمت آنها از ترموکوپل‌ها بیشتر است و به تغییرات دما کمی کندتر پاسخ می‌دهند.

بررسی انواع سنسور rtd از نظر سیم‌بندی

یکی از موارد مهم در شناخت انواع سنسور rtd، توجه به تعداد سیم‌های آن است. این سنسورها در مدل‌های دو، سه و چهار سیمه عرضه می‌شوند که هر کدام دقت متفاوتی دارند.

• دو سیمه: ساده‌ترین و ارزان‌ترین نوع است. در این مدل، مقاومت سیم‌های رابط نیز همراه با مقاومت سنسور اندازه‌گیری می‌شود که این موضوع باعث ایجاد خطا در اندازه‌گیری نهایی می‌گردد. این نوع برای مسافت‌های کوتاه و کاربردهایی که دقت بالا نیاز ندارند، مناسب است.
• سه سیمه: رایج‌ترین نوع در صنعت است. در این مدل، یک سیم اضافی وجود دارد که به مدار اندازه‌گیری اجازه می‌دهد مقاومت سیم‌های رابط را محاسبه و از نتیجه نهایی حذف کند. این کار دقت را به شکل چشمگیری افزایش می‌دهد.
• چهار سیمه: دقیق‌ترین نوع RTD است و بیشتر در کاربردهای آزمایشگاهی و کالیبراسیون استفاده می‌شود. دو سیم برای عبور جریان و دو سیم دیگر برای اندازه‌گیری ولتاژ دو سر سنسور به کار می‌روند. این روش اثر مقاومت سیم‌ها را به طور کامل حذف می‌کند و بالاترین دقت ممکن را فراهم می‌آورد.

ترمیستوstرها (Thermiors) حساسیت بالا در محدوده مشخص

ترمیستورها نوع دیگری از سنسورهای مقاومتی هستند، با این تفاوت که به جای فلز خالص، از مواد نیمه‌هادی ساخته شده‌اند. این ویژگی باعث شده تا مقاومت آنها با تغییر دما، تغییرات بسیار بزرگتری نسبت به RTDها داشته باشد. این حساسیت بالا بزرگترین نقطه قوت ترمیستورهاست. آنها می‌توانند تغییرات بسیار جزئی دما را به سرعت تشخیص دهند.

ترمیستورها به دو دسته اصلی تقسیم می‌شوند:

• NTC (ضریب دمای منفی): با افزایش دما، مقاومت آنها به شدت کاهش می‌یابد. این نوع رایج‌ترین مدل برای اندازه‌گیری دما است.
• PTC (ضریب دمای مثبت): با افزایش دما، مقاومت آنها افزایش می‌یابد. این مدل بیشتر به عنوان فیوزهای قابل تنظیم مجدد و در مدارهای حفاظتی استفاده می‌شود.

ترمیستورها ارزان‌قیمت هستند و پاسخ زمانی بسیار سریعی دارند. اما یک ضعف بزرگ دارند: رابطه بین دما و مقاومت آنها خطی نیست. این موضوع باعث می‌شود مدار مورد نیاز برای خواندن دمای دقیق از روی آنها کمی پیچیده‌تر باشد. همچنین محدوده دمایی عملکرد آنها معمولا محدودتر از ترموکوپل و RTD است (مثلا از 50- تا 200+ درجه سانتی‌گراد).

همچنین برای خرید و اطلاع از قیمت سنسور گاز کلیک کنید.

آشنایی با دیگر انواع سنسور های دما

علاوه بر سه نوع اصلی که بررسی شد، مدل‌های دیگری از انواع سنسور دما نیز وجود دارند که برای کاربردهای خاص طراحی شده‌اند. سنسورهای دمای مادون قرمز (Infrared) از نوع غیرتماسی هستند؛ یعنی برای اندازه‌گیری دما نیازی به تماس فیزیکی با جسم ندارند. این سنسورها انرژی مادون قرمزی که از سطح اجسام تابش می‌شود را اندازه‌گیری کرده و از روی آن دما را محاسبه می‌کنند. این ویژگی آنها را برای اندازه‌گیری دمای اجسام متحرک، بسیار داغ یا دور از دسترس، ایده‌آل می‌کند.

دسته دیگر، سنسورهای مبتنی بر نیمه‌هادی یا IC هستند. این سنسورها (مانند LM35 یا DS18B20) مدارات پردازش سیگنال را درون خود جای داده‌اند و خروجی آنها مستقیما یک ولتاژ یا یک سیگنال دیجیتال متناسب با دما است. استفاده از این سنسورها بسیار آسان است و نیازی به مدارهای پیچیده خارجی ندارند. اگرچه دقت و محدوده دمایی آنها به پای RTDها و ترموکوپل‌ها نمی‌رسد، اما برای بسیاری از پروژه‌های الکترونیکی و دستگاه‌های مصرفی، یک گزینه عالی و به‌صرفه محسوب می‌شوند.

نکات مهم در انتخاب سنسور دما

انتخاب بهترین سنسور دما یک پاسخ واحد ندارد؛ بهترین سنسور دما، سنسوری است که با نیازهای مشخص پروژه شما بیشترین تطابق را داشته باشد. یک سنسور گران‌قیمت و بسیار دقیق ممکن است برای یک کاربرد ساده، انتخابی اضافه و پرهزینه باشد و برعکس، یک سنسور ارزان ممکن است در یک فرآیند حساس صنعتی، باعث خسارت‌های جبران‌ناپذیر شود. بنابراین، قبل از خرید باید چند سوال اساسی را از خود بپرسید و معیارهای زیر را به دقت بررسی کنید.

محدوده دمایی اولین قدم در انتخاب

اولین و مهم‌ترین معیار، محدوده دمایی است که سنسور قرار است در آن کار کند. آیا نیاز به اندازه‌گیری دماهای بسیار بالای یک کوره دارید یا دمای یک اتاق؟ ترموکوپل‌ها برای دماهای بسیار بالا و بسیار پایین بهترین گزینه هستند. RTDها محدوده وسیعی را پوشش می‌دهند اما نه به گستردگی ترموکوپل‌ها. ترمیستورها معمولا محدوده‌ کمتری دارند اما در همان محدوده، حساسیت بسیار بالایی از خود نشان می‌دهند. انتخاب سنسوری که محدوده کاری شما را پوشش ندهد، اولین و بزرگترین اشتباه است.

دقت و پایداری مورد نیاز پروژه شما

پروژه شما به چه میزان دقت نیاز دارد؟ در یک کاربرد آزمایشگاهی یا تولید دارو، حتی کسری از درجه هم میتواند مهم باشد، اما برای کنترل دمای یک گلخانه، شاید دقت یک یا دو درجه هم کافی باشد. به طور کلی، RTDها دقیق‌ترین و پایدارترین سنسورها در بلندمدت هستند و به عنوان استاندارد در بسیاری از صنایع شناخته می‌شوند. پس از آنها ترموکوپل‌ها با دقت کمتر قرار دارند و ترمیستورها نیز بسته به کیفیت ساخت، دقت‌های متفاوتی ارائه می‌دهند.

سرعت پاسخ سنسور به تغییرات دما

در برخی فرآیندها، دما به سرعت تغییر می‌کند و سنسور باید بتواند این تغییرات را به موقع گزارش دهد. سرعت پاسخ به این معناست که سنسور با چه سرعتی به دمای واقعی محیط می‌رسد. ترمیستورها به دلیل اندازه کوچک و حساسیت بالا، معمولا سریع‌ترین پاسخ را دارند. ترموکوپل‌ها نیز پاسخ زمانی خوبی دارند. RTDها به دلیل ساختار فیزیکی بزرگتر، معمولا کندتر از دو نوع دیگر هستند.

شرایط محیطی و استحکام فیزیکی سنسور

سنسور قرار است در چه محیطی کار کند؟ آیا در معرض لرزش، ضربه، رطوبت یا مواد شیمیایی خورنده قرار خواهد گرفت؟ ترموکوپل‌ها به دلیل ساختار ساده و فلزی خود، بسیار جان‌سخت و مقاوم هستند. RTDها نیز ساختار محکمی دارند اما نسبت به لرزش‌های شدید حساس‌ترند. ترمیستورها معمولا ظریف‌تر هستند و نیاز به محافظت بیشتری دارند. برای محیط‌های مرطوب یا غوطه‌وری در مایعات، باید از سنسورهای ضدآب با پوشش محافظ مناسب استفاده کرد.

هزینه و بودجه پروژه

در نهایت، بودجه شما نیز یک عامل تعیین‌کننده است. ترمیستورها و ترموکوپل‌های معمولی، گزینه‌های ارزان‌قیمتی هستند. RTDها، به خصوص انواع پلاتینی و با دقت بالا، هزینه بیشتری دارند. البته نباید فقط قیمت خود سنسور را در نظر گرفت. هزینه سیم‌کشی، مدارهای مورد نیاز برای خواندن سیگنال و نگهداری نیز باید در محاسبه نهایی لحاظ شود.

معیار	ترموکوپل	RTD (پلاتینی)	ترمیستور (NTC)
محدوده دما	بسیار وسیع (200- تا 2000+)	وسیع (200- تا 600+)	محدود (50- تا 200+)
دقت	متوسط	بسیار بالا	متوسط (بسته به نوع)
پایداری	خوب	بسیار بالا	متوسط
خطی بودن	نسبتا غیرخطی	بسیار خطی	بسیار غیرخطی
سرعت پاسخ	سریع	متوسط تا کند	بسیار سریع
هزینه	کم تا متوسط	متوسط تا زیاد	کم
استحکام	بسیار بالا	بالا	متوسط

جمع بندی

همانطور که دیدیم، دنیای سنسورهای دما گزینه‌های گوناگونی را پیش روی ما قرار می‌دهد. از ترموکوپل‌های مقاوم که در دل کوره‌های صنعتی کار می‌کنند تا ترمیستورهای حساسی که دمای بدن را می‌سنجند، هر کدام برای وظیفه‌ای خاص طراحی شده‌اند. انتخاب درست از میان انواع سنسور دما نیازمند درک روشنی از نیازهای پروژه است. هیچ سنسوری وجود ندارد که برای همه کارها «بهترین» باشد. با در نظر گرفتن معیارهایی مانند محدوده دما، دقت مورد نیاز، شرایط محیطی و بودجه، می‌توان انتخابی آگاهانه داشت که به عملکرد بهینه و پایدار سیستم شما کمک کند.

شما می‌توانید برای تهیه انواع سنسور دما با قیمت مناسب روی خرید سنسور دما کلیک کنید.

سوالات متداول

• تفاوت بین RTD و ترمیستور چیست؟

تفاوت اصلی در ماده سازنده آنهاست. RTD از فلز خالص (معمولا پلاتین) ساخته شده که پایدار و خطی است. ترمیستور از مواد نیمه‌هادی ساخته شده که حساسیت بسیار بالاتری دارد اما رفتار آن غیرخطی است.

• آیا سنسور دما دیجیتال دقیق‌تر از آنالوگ است؟

لزوما همیشه اینطور نیست، اما سنسورهای دیجیتال به دلیل داشتن مبدل آنالوگ به دیجیتال داخلی، کمتر تحت تاثیر نویز الکتریکی قرار می‌گیرند و استفاده از آنها آسان‌تر است که این موضوع می‌تواند به دقت بالاتری در سیستم نهایی منجر شود.

• چگونه می‌توان عملکرد یک سنسور دما را تست کرد؟

یک روش ساده، مقایسه قرائت سنسور با یک دماسنج مرجع و کالیبره شده در یک محیط با دمای پایدار است. برای مثال، یک حمام یخ (مخلوط آب و یخ) دمای تقریبا صفر درجه سانتی‌گراد را فراهم می‌کند.