حسگر دما اولین گام تهویه مطبوع

• مرضیه ابراهیمی
• • تأسیسات ساختمان
  • خانه هوشمند

مقدمه

یکی از مسائلی که همواره برای آدمی اهمیت داشته دمای اطراف خود بوده است. بعد از صنعتی شدن جوامع، اهمیت اندازه دما برای دانستن دمای خانه، دمای مواد در پروسه تولید (که صحیح انجام شدن آن به دما در هر زمان وابسته است ) و … بیشتر شد. به همین دلیل، بشر همواره برای اندازه گیری دمای اطراف خود تلاش نموده است و به همین خاطر لوازم اندازه گیری متنوعی ساخته شده که در هر کدام بر اساس خاصیت خاصی این اندازه گیری صورت می گیرد. در این تحقیق با توجه به عنوان آن ابتدا سنسور، دما و اندازه گیری آن مورد بحث قرار گرفته است و پس از آن به معرفی انواعی از سنسورهای اندازه گیری دما پرداخته شده است.

سنسور چیست؟

سنسور (sensor)یعنی حس کننده و از کلمه sens به معنی حس کردن گرفته شده و می تواند کمیت هایی مانند فشار، حرارت، رطوبت، دما، و … را به کمیت های الکتریکی پیوسته (آنالوگ) یا غیرپیوسته (دیجیتال) تبدیل کند. سنسورها در انواع دستگاه های اندازه گیری، سیستم های کنترل آنالوگ و دیجیتال مانند PLC مورد استفاده قرار می گیرند. عملکرد سنسورها و قابلیت اتصال آنها به دستگاه های مختلف از جمله PLC باعث شده است که سنسور بخشی از اجزای جدا نشدنی دستگاه کنترل اتوماتیک باشد. سنسور ها بر اساس نوع و وظیفه ای که برای آن ها تعریف شده اطلاعات را به سیستم کنترل کننده می فرستند و سیستم طبق برنامه تعریف شده عمل می کند. خواستگاه اصلی سنسورها علم الکترونیک بوده و امروزه اکثر دستگاه های الکترونیکی مجهز به انواع سنسور می باشند. همچنین وسائل کنترل کننده ای که به کمک دستگاه های الکترونیکی کنترل یک مجموعه را عهده دارند به صورت خاص اکثرا از انواع سنسور، بسته به نوع و کار دستگاه استفاده میکنند.

انواع سنسور

سنسور را به سه زیر بخش 1- عنصر حس کننده: که سیگنال در آن تغییری ایجاد می کند، 2- عنصر تغییر دهنده یا مبدل :که تغییر به وجود آمده در بخش قبلی را به سیگنال الکتریکی تبدیل می کند و 3- بخش آماده سازی و پردازش سیگنال های الکتریکی تقسیم می کنند.

• همچنین یک سنسور مانند سنسورهای پیزو الکتریک یا سنسورهای نوری می تواند به تنهایی از یک بخش مبدل تشکیل گردد و بخش عنصر حس کننده را نداشته باشد .

• مرحله آماده سازی سیگنال به عنوان مثال شامل تقویت کردن، فیلتر سازی، تبدیل آنالوگ – دیجیتال یا مدارات تصحیح ساده می باشد. مدارات الکترونیکی اجرا کننده مرحله آماده سازی سیگنال می تواند یا با سنسور به طور یک جا ساخته شود یا از نظر مکانی از آن جدا باشند. در حالت اول ما از سنسورهای مجتمع صحبت می کنیم. در غیر این صورت سنسور و مدارات آماده کننده سیگنال تواما اغلب به نام سیستم سنسور موسوم هستند.در شکل زیر سه نوع سیستم سنسور آمده است.

طبقه بندی سنسورها طبق قرارداد، بر اساس قانون تبدیل، مقدار کمیت مورد اندازه گیری، تکنولوژی مورد استفاده و یا کاربرد انجام می شود.

سنسورها را می توان به دو نوع عمده  فعال و غیر فعال گروه بندی کرد. سنسور فعال یا خود مولد سنسوری است که می تواند بدون احتیاج به تغذیه خارجی، سیگنال خروجی تولید کند. مثال هایی از این نوع، سلول های فتو ولتایی، ترموکوپل ها و قطعات پیزو الکتریک هستند. اغلب سنسورهای پسیو معمولی احتیاج به یک منبع انرژی خارجی دارند که در مورد قطعات این تحقیق این انژی از نوع الکتریکی است. این قطعات با ایجاد تغییر در ولتاژ و یا جریان یک منبع کار می کنند. نوع دیگری از سنسورهای پسیو که اغلب اصلاح کننده نامیده می شوند دقیقا همان نوع از انرژی را که در ورودی دریافت کرده اند در خروجی ارایه می دهند. یک نمونه از این قطعات دیافراگم صوتی است که برای تبدیل فشار و یا سرعت ارتعاشات امواج صوتی به حرکت یک صفحه صلب انجام می گیرد.

همزمان با پیشرفت میکرو پروسسورها نسل جدیدی از سنسورها رواج یافته که به سنسور های هوشمند معروف شده اند. این نوع سیستم از یک سنسور مینیاتوری که همراه با یک پروسسور در یک محفظه واحد مجتمع شده تشکیل یافته است. لازم به توضیح است که این نوع سنسور، یک سنسور به صورت آی سی ستونی است و بایستی بین این نوع سنسور و نوع هیبرید ( که در آن سنسور و پردازشگر به جای آن که فقط در یک محفظه قرار گیرند حتی روی یک زیر لایه رشد داده می شوند) تفاوت قایل شد.

مشخصات یک سنسور خوب

سنسور ها به منظور جلب توجه استفاده کنندگان خود باید چندین نقش عمومی را به طور کامل اجرا کنند و از این رو یک سنسور خوب باید مشخصات زیر را داشته باشد:

• حساسیت کافی
• درجه بالای دقت و قابلیت تولید دوباره خوب
• درجه بالای خطی بودن
• گستره دینامیکی خوب
• عدم حساسیت به تداخل وتاثیرات محیطی
• درجه بالای پایداری و قابلیت اطمینان
• امید به زندگی طولانی و جایگزینی بدون مشکل

• ترکیب سنسور و الکترونیک سنسور منجر به ویژگی های خاصی می شود از جمله :

• سیگنال خروجی بدون نویز
• سیگنال خروجی سازگار با باس
• احتیاج به توان پایین

اگر سنسور و الکترونیک با هم مجتمع شوند در این صورت ویژگی های بیشتری باید برآورده شود که از آن جمله قابلیت مینیاتورسازی و قابلیت سازگاری هزینه با میکروالکترونیک است.

در تولید سنسورها اکثرا از تکنولوژی های میکروالکترونیک زیر استفاده می شود:

• تکنولوژی سیلیکان
• تکنولوژی لایه نازک
• تکنولوژی لایه ضخیم/ هیبرید
• سایر تکنولوژی های نیمه هادی

علاوه بر این از پروسه های دیگری نظیر تکنولوژی های فویل و سینتر، تکنولوژی فیبر نوری،مکانیک دقیق، تکنولوژی لیزر نوری، تکنولوژی میکروویو، تکنولوژی بیولوژی، تکنولوژی هایی از قبیل پلیمر ها، آلیاژهای فلزی یا مواد پیزو الکتریکی استفاده می شود.

دما واندازه گیری آن

کمیت فیزیکی که ما آن را گرما می نامیم یکی از اشکال مختلف انرژی است و مقدار گرما معمولا بر حسب واحد ژول سنجیده می شود. مقدار گرمایی که در یک شی موجود است قابل اندازه گیری نمی باشد، اما می توان تغییرات گرمای موجود در یک شی که بر اثر تغییر دما و یا تغییر در حالت فیزیکی (جامد به مایع، مایع به گاز، یک شکل کریستالی به شکل کریستالی دیگر) ایجاد می شود را اندازه گیری کرد. بنابر این از این جنبه، دما میزان گرما برای ماده است تا وقتی که حالت فیزیکی آن بدون تغییر بماند. ارتباط بین دما و انرژی گرمایی بسیار شبیه به ارتباط بین سطح ولتاژ و انرژی الکتریکی است.

دما یکی از مهمترین پارامترها در کنترل یک فرآیند است. اندازه گیری دقیق دما آسان نیست و برای دستیابی به دقت های بالاتر از 5/0 درجه سانتی گراد باید توجه زیادی مبذول داشت. همچنین سنسورهای دمای رایج تماما وابسته به تغییراتی هستند که همراه با تغییرات دمای ماده به وجود می آید.

واحد کمیت فیزیکی که به دمای ترمودینامیک با واحدTمعروف است، کلوین می باشد و به صورت کسری از دمای ترمودینامیک سه نقطه ای آب تعریف می شود. اغلب مردم درجه سانتی گراد(سلسیوس) را می شناسند. رابطه بین دمای کلوین و سلسیوس به صورت زیر است:

از رابطه بالا به این نتیجه می رسیم که دمای سه نقطه ای آب بر حسب درجه سلسیوس 01/0 است. از دیدگاه عملی دمای یخ، صفر درجه سانتی گراد و دمای بخار آب 100 درجه سانتی گراد است.

منابع مختلفی می تواند برای ایجاد خطا در حین اندازه گیری دما وجود داشته باشد. خطاها به دلایل مختلف اعم از غیرخطی بودن حسگر، افت دما، خطاهای تنظیم (کالیبراسیون) واتصالات ضعیف دمایی اتفاق می افتند. برخی از این خطاهای مهم عبارتند از:

• خطاهای تنظیم
• ایجاد حرارت در اثر عملکرد سنسور
• اغتشاش الکتریکی
• فشارهای مکانیکی
• اتصال حرارتی
• ثابت زمانی سنسور
• سرهای اتصال سنسور

از این رو انتخاب حسگر مناسب همیشه آسان نیست. این کار به عواملی مثل محدوده اندازه گیری دما، وقت مورد نظر، محیط، سرعت پاسخ، سهولت استفاده، قیمت، قابلیت تعویض و… بستگی دارد.

انواع سنسورهای اندازه گیری دما

انواع سنسورهای موجود برای اندازه گیری دما عبارتند از:

• سنسورهای بی متال
• سنسورهای ترموکوپل
• سنسورهای مقاومت فلزی  RTD
• ترمیستور
• سنسورهای مدار مجتمع
• سنسورهای  تشخیص انرژی تابشی Bolometer
• سنسورهای پایروالکتریک (با استفاده از اشعه مادون قرمز)
• سنسورهای پیشرفته مانند سنسورهای الترا سونیک (مافوق صوت) و سنسورهای فیبرنوری و سنسورهای MEMS

سنسورهای بی متال
ساده ترین نوع سنسور حرارتی از نوع بی متال است که اساس کار آن در شکل زیر آمده است. این سنسور ها شامل دو نوار فلزی از دو جنس مختلف است که با نقطه جوش و یا پرچ کردن در دو نقطه به یکدیگر متصل شده اند. جنس فلز دو نوار، به گونه ای انتخاب می شود که ضرایب انبساط خطی آنها با یکدیگر تفاوت زیادی داشته باشند. مقدار انبساط ( یا ضریب انبساط) خطی عبارت است از خارج قسمت تغییر مقدار طول به تغییر دما و این مقدار برای همه فلزات مقداری است مثبت.

با تغییر دما نوار بی متال دچار خمیدگی می شود. خمیدگی پدید آمده در نوار بی متال را می توان در وسط هر یک از ترانسدیوسرهای جابه جایی تشخیص داد، اما اغلب اوقات از خود نوار بی متال برای راه اندازی کنتاکت های یک کلید استفاده می شود و معمولا خود بی متال یکی از کنتاکت های کلید است.
نوع رایج بی متال هنوز هم در انواعی از ترموستات ها مورد استفاده قرار می گیرد.اگر چه بی متال در آنها به صورت حلزونی پیچیده می شود ، اما این نوع ترموستات ها داراس هیسترزیس هستند. این خاصیت ممکن است باعث نوسان مشخصات قطع و وصل ترموستات شود .
با استفاده از یک المنت تسریع کننده می توان تا حدودی اثر هیسترزیس را کاهش داد. تسریع کننده در واقع شامل یک مقاومت با مقدار زیاد است که نزدیک بی متال نصب می شود. اصول کار با توجه به شکل زیر به این ترتیب است که وقتی کنتاکت های ترموستات گرم کننده وصل می شوند. جریانی از مقاومت تسریع کننده عبور می کند به طوری که سرعت گرم شدن ترموستات بیشتر از سرعت گرم شدن محیط خواهد بود. هم اکنون ترموستات های حساس تری ساخته شده که به وسیله ترمیستور عمل می کنند.

نوارهای بی متال در اشکال فیزیکی متنوعی ساخته می شوند و به خصوص نوع دیسکی آن کاربرد زیادی دارد. زمانی که یک تغییر دمایی رخ می دهد یک دیسک از نوع بی متال به طور ناگهانی قوس دار می شود که باعث می شود بدون هیچ واسطه ای یک تغییر شکل فنری برای صفحه اتفاق بیافتد.این اساس کار سوییچ های حرارتی است که برای جلوگیری از افزایش گرمای تجهیزات الکترونیکی مورد استفاده قرار می گیرند.
این سوییچ های حرارتی را می توان به خنک کننده های آلمینیومی (هیت سینک)، موتورهای کوچک، ترانسفورمرها،کتری برقی و سایر وسایلی که در آنها احتمال گرم شدن بیش از حد وجود دارد و دارای سطح فلزی هستند، چسباند.

سوییچ های حرارتی

سوییچ های حرارتی به دو نوع درحالت عادی باز و در حالت عادی بسته قابل تهیه می باشند. همه انواع نوارهای بی متال با عنصر حساس طویل که در ترموستات ها مورد استفاده قرار می گیرد بایستی در فواصل زمانی معینی تنظیم مجدد شوند، زیرا نوار بی متال همواره در معرض تغییرات تدریجی (خزش) قرار می گیرد واین تغییرات روی تنظیم ترمیستور تاثیر می گذارد.

سنسورهای ترموکوپل

ترموکوپل ها، حسگرهای حرارتی ساده ای هستند که از دو فلز غیر هم جنس که به هم متصل شده اند، به وجود آمده اند. در سال 1821 یک فیزیکدان آلمانی به نام توماس سیبک کشف کرد که اگر دو اتصال در دماهای مختلفی قرار گیرند ولتاژ ترموالکتریک تولید می شود و شار جریانی در مدار بسته دو فلز غیر هم جنس جاری می گردد. یکی از اتصالات، اتصال گرم و اتصال دیگر اتصال سرد یا مرجع نامیده می شود. جریان تولید شده در حلقه بسته، بستگی به نوع فلزهای مورد استفاده و تفاضل دمای بین اتصالات سرد و گرم دارد.

اگر دما در هر دو اتصال یکسان باشد، ولتاژهای تولید شده یکدیگر را خنثی می کنند و جریان در مدار برقرار نمی شود. بنابراین یک ترموکوپل به جای دمای مطلق، تفاضل دمای بین دو اتصال را اندازه گیری می کند.

برای اندازه گیری دما، باید یک ابزار اندازه گیری ولتاژ را وارد این حلقه کنیم تا بتوانیم اثر ترموالکتریک را اندازه بگیریم. ابزار اندازه گیری توسط یک جفت سیم مسی و با استفاده از یک مجموعه ترمینال به ترموکوپل وصل می شود.

ترموکوپل ها، ولتاژی تولید می کنند که برابر تفاضل دما بین نقطه اتصال گرم و سرد (یا مرجع) است. اگر بخواهیم دمای مطلق اتصال گرم را بدانیم ابتدا باید دمای مطلق اتصال مرجع را داشته باشیم. اگر اتصال مرجع مشخص، کنترل شده و پایدار باشد؛ مشکلی وجود نخواهد داشت اما اگر دمای اتصال مرجع نامشخص باشد می توان از یکی از روش های زیر برای یافتن دمای مطلق اتصال گرم استفاده کرد:
   1-  اندازه گیری دقیق دمای اتصال مرجع و استفاده از این دما جهت محاسبه دمای اتصال گرم. ساده ترین روش اندازه گیری دمای اتصال مرجع، استفاده از ترمیستورها یا حسگر دمایی نیمه هادی است. سپس باید دمای اتصال مرجع را به دمای اندازه گیری شده توسط ترموکوپل اضافه کرد. این روش نتایج دقیقی ارایه می کند و هزینه انجام آن به طور کلی پایین است.

   2-  قرار دادن اتصال مرجع در یک محیط کنترل شده حرارتی که دمای آن به طور دقیق مشخص است.

   3-  از آی سی های جبران سازاتصال سرد مانند LT1025 استفاده شود. این آی سی ها دارای حسگرهای دمای داخلی هستند که دمای اتصال مرجع را که در محیط قرار می گیرد. تشخیص و سپس ولتاژی متناسب با ولتاژ تولید شده توسط ترموکوپلی که اتصال گرم آن در محیط و اتصال سرد آن در دمای صفر درجه سانتی گراد است، تولید می کنند. این ولتاژ به ولتاژ ترموکوپل اضافه شده و مانند این است که اتصال مرجع در صفر درجه سانتی گراد قرار داده شده است. این آی سی ها دقتی در حد چند درجه سانتی گراد دارند و به طور گسترده در بسیاری از کاربردها که به اندازه گیری دقیق نیاز ندارند، استفاده می شوند.

4- راه دیگر این است که از سیم های مسی ابزار اندازه گیری استفاده نکرد، بلکه سیم های ترموکوپل را به طور مستقیم تا ابزار اندازه گیری کشید و سیم های مسی را در داخل ابزار اندازه گیری که دمای اتصال مرجع در آن به سهولت و دقت قابل اندازه گیری است، به هم وصل کرد.

در حدود 12 نوع ترموکوپل استاندارد وجود دارد که معمولا مورد استفاده قرار می گیرد. به هر ترموکوپل یک حرف تایید شده بین المللی نسبت داده می شود که نشان می دهد ترموکوپل از چه موادی ساخته شده است. اگر چه در مواردی این امکان وجود دارد که ترموکوپل ها بدون هر گونه عایقی به کار روند ولی در اکثر کاربرد های صنعتی باید آنها را عایق بندی کرد که این کار به دو صورت انجام می گیرد :

1- با استفاده از مواد عایق استاندارد
معمولا از عایق های PVC، تفلون و فایبرگلاس استفاده می شود که هر کدام با توجه به خاصیتشان در محدوده دمایی خاصی به کار می روند.
2- ترموکوپل های عایق شده با مواد معدنی
این روش معمول ترین روش عایق بندی است که سیم های ترموکوپل در پودر عایق(معمولا اکسید منیزیم ) غلیظ و فشرده فرو برده می شوند.این روش دارای استقامت مکانیکی خوب، پایداری طولانی، عایق بندی مناسب، پاسخ سریع و اندازه کوچک هستند.
در پاره ای موارد نیاز است که از حسگر ترموکوپل در بیرون استفاده کنیم و طول کابل استاندارد تهیه شده توسط تولید کننده ممکن است کوتاه باشد. برای این منظور کابل های اتصال با استفاده از هادی های ترموکوپل طراحی شده اند که جهت سهولت، انعطاف پذیر طراحی شده اند و از ترموکوپل ها ارزان تر هستند. معمولا تولید کنندگان جداولی تهیه می کنند که مقاومت سر اتصال را برای ترموکوپل با نوع و طول معلوم کابل ها محاسبه میکند.

ساده ترین ترموکوپل ها

ساده ترین ترموکوپل از یک جفت سیم با یک سر اتصال جوش خورده بدون عنصر کنترل کننده و اتصالات خاص ساخته می شود. اما این نوع ترموکوپل ها باید با دقت و درآزمایشگاه ها مورد استفاده قرار گیرند. اما ترموکوپل های صنعتی در اشکال زیر موجود هستند:

– پروب ها
– ترموکوپل پیچی
– ترموکوپل های حلقوی
– ترموکوپل واشری
– ترموکوپل های فرورونده
– ترموکوپل های با سر ترمینالی

ارتباط ولتاژ و دما در ترموکوپل ها به سه طریق صورت می گیرد :
– استفاده از جدول های مرجع
– استفاده از روش سری توانی
– استفاده از تقریب خطی

سنسورهای “RTD“

RTD“” بر اساس این مشخصه کار می کند که مقاومت فلز با تغییر دما تغییر می کند. از این ایده استفاده شده است که مقدار تغییر دما، به تغییر مقاومت تبدیل شود. بنابراین طبیعتا از فلزاتی استفاده می شود که حساسیت بالاتری داشته باشند. عموما آن را با فلزاتی چون پلاتین، نیکل، آلیاژنیکل- آهن و مس می سازند که هر کدام برای کاربردی، استفاده می شوند. نیکل و آلیاژنیکل آهن، نسبت به پلاتین در بازه دمایی کمتری خطی اند و پلاتین در بازه بیشتری خطی است که بازه دمایی نیکل40 تا 300 درجه سانتیگراد است و آلیاژنیکل آهن در مصارف محدود و خاصی استفاده می شوند.

حسگرهای RTD معمولا به دو روش سیم پیچی شده یا سیم نازک ساخته می شوند. RTDهای سیم پیچی شده بسیار پایدار و دارای پاسخ حرارتی کند هستند. RTD های سیم نازک دارای پاسخ حرارتی بسیار سریع، حساسیت کم نسبت به ارتعاش و قیمت کمتر نسبت به نوع سیم پیچی شده می باشد.

به جهت خصوصیاتی چون خطی بودن ( خطی تر نسبت به دیگر فلزات) پایدار بودن، دقت و… در صنعت از پلاتین استفاده می شود. پلاتین بر اساس استاندارد « دین»

(DIN:Deutsches Institut fur Normung ) به دو درجه A و B تقسیم شده است:
Grade A: t = +- (0.15+0.002.|t|)     -200  to  650(°C)
Grade B: t = +- (0.30+0.005.|t|)      -200  to  850(°C)

از پلاتین درجه A بیشتر در کارهای آزمایشگاهی استفاده می شود و در صنعت عموما از پلاتین درجه B استفاده می کنند.

برای محاسبه مقدار مقاومت RTD را با با توجه به این مورد که مفدار ضریب مقاومتی با تعییر دما تغییر می کند به روابط زیر می رسیم:
For T<0; RTD = R0 + ΔR
RTD = R0 × [1 + A × T + B × T2 + (T – 100) × T3]
For T>0; RTD = R0 + ΔR
RTD = R0 × [1 + A × T + B × T2]
مدل خطی RTD = R0 + ΔR
RTD = R0 × (1 + T)α
که R0 مقدار مقاومت پلاتین در دمای صفر درجه است، T دمای پلاتین و A ، B و C ضرایب ثابت اند که از کالیبراسیون می توانیم بدست بیاوریم. معمولا در جاهایی که تکرار پذیری و خطی بودن اهمیت دارد از RTD ها استفاده می شود پ. البته RTD در مقابل تکان های شدید و شوک های مکانیکی به خوبی ترموکوپل مقاوم نیست و همچنین ماکزیمم دمای آن 1200درجه فارنهابت است ولی ترموکوپل می تواند تا 3100 درجه فارنهایت را اندازه گیری کند.

برای بهسازی و تبدیل مقاومت به ولتاژ بیشتر از مدار پل استفاده می شود.RTD به صورت دو، سه و چهار سیمه به مدار پل وصل می شود. در صنعت عموما از دو و سه سیمه استفاده می شود که خطای سه سیمه کمتر از دو سیمه می باشد. از چهار سیمه بیشتر در مصارف آزمایشگاهی استفاده می شود.  برای بهسازی RTD مدار های مجتمعی نیز وجود دارد که مقاومت را به ولتاژ تبدیل می کنند.

همچنین توسط میکرو PIC و RTD نیز با توجه به اشکال زیر می توان دما را اندازه گیری نمود.

• انواعی از RTD در زیر آمده است.
  RTD PT100:
  TST10-TST11-TST12-TST13-TST14-TST40N-TST41N-TST42-TST44N-TST50-TST52-TST72-TST74-TST76-TST80-TST90-TST110-TST111-TST121-TR10-TR11-TR12-TR13-TR15-TR44-TR45-TR46-TR47-TR48

RTD  معمولا در جاهایی استفاده می شود که تکرار پذیری و خطی بودن برای ما اهمیت داشته باشد. به خوبی ترموکوپل نسبت به تکان های شدید و شوک های مکانیکی مقاوم نیست. ماکزیمم دمای کاری آن 1200 است که ترموکوپل قادر است تا دمای 3100 درجه فارنهایت را نیز اندازه گیری کند که این ضعفی برای RTD است.

در بازار ایران RTD را به دلیل گران بودن و اینکه بیشتر در مصارف صنعتی استفاده می شود نمی توان در مغازه و فروشگاه ها پیدا کرد. و به دلیل رقابت در قیمت، ارزش سنسور را نمی گویند. ولی RTD به همراه ترانسمیتر حدودا 300 یورو می باشد .

ترمیستورها

در سال 1833 میشل فاراده فیزیکدان و شیمی دان انگلیسی گزارشی در مورد رفتار نیمه هادی سولفید نقره داد که این جرقه اولیه پیدایش ترمیستور بود. به خاطر محدودیتی که ترمیستور در سختی تولید و کاربرد در صنعت داشت تولید تجاری و استفاده از آن تا صد سال بعد انجام نشد و از سال 1980 استفاده از ترمیستور به صورت گسترده شروع شد.

ترمیستور از مواد نیمه هادی ساخته می شود. ترمیستور از ترکیبات فلزات سمی مانند اکسید فلزاتی چون منگنز، نیکل، کبالت، مس و یا آهن همراه با سیلیکون ساخته می گردد. رنج دمای آن  50- تا 150 و نهایت 300 درجه سانتی گراد می باشد. در بیشتر مصارف مقاومت آن در دمای 25 درجه سانتی گراد( در RTD مقاومت آن نسبت به صفر درجه محاسبه می شد. در ترمیستورها نسبت به 25 درجه سانتی گراد محاسبه می شود.) بین 100 اهم تا 100کیلو اهم می باشد. البته ترمیستورهایی با مقاومت اولیه پایین تر از 10اهم و بالاتر از 40مگا اهم نیز استفاده می شود.

ترمیستور ها در اشکال مختلفی مانند تکمه ای ریز، میله ای، دیسکی ، واشری، ویفری و همین طور محصور در محفظه فلزی(تراشه ای) ساخته می شوند.ترمیستورها به دو نوع تقسیم می شوند NTC که با افزایش دما مقاومت آن کاهش می یابد و PTC که با افزایش دما مقاومت آن کاهش می یابد.

– معمولا ترمیستورهای PTC در مدارهای قدرت برای حفاظت در برابر جریان هجومی به کار برده می شوند. از لحاظ تجاری دو نوع ترمیستور PTC وجود دارد. اولین نوع شامل مقاومت های سیلیکونی است و به سیلیستور ها مشهور هستند و نوع دیگر که پرکاربرد تر هستند به ترمیستور های switching PTC معروف هستند. این ابزار ها معمولا در کاربردهای کلیدزنی برای محدود سازی جریان در سطح مطمین در سیستم های قدرت به کار می روند و در کنترل دما و کاربرد های کنترلی به کار برده نمی شوند.

– ترمیستور نوع NTC حساسیت  3 تا 6 درصد دارند که در مقایسه با RTD خیلی بالاتر است که موجب شده سیگنال، پاسخ بهتری نسبت به ترموکوپل و RTD داشته باشد، از جهت دیگر حساسیت پایین RTD و ترموکوپل آنها را انتخاب خوبی برای دماهای بیش از 260 درجه سانتیگراد داشته است و این محدودیتی برای ترمیستور است. ترمیستور با دقت و رزولوشن بالایی در رنج دمایی اش کار می کند و دارای مقاومت بالا، اندازه کوچک، تغییر سریع مقاومت با تغییر دما نسبت به RTD ، قیمت پایین تر نسبت به RTD و ترموکوپل، عملکرد خیلی غیرخطی و در نتیجه رنج دمای کاری کم و محدودیت برای دمای خیلی پایین نسبت به ترموکوپل و RTD می باشد.

برای تبدیل مقاومت ترمیستور به ولتاژ می توان از مدار پل استفاده نمود ولی به دلیل مشخصه غیر خطی ترمیستور، خطای غیر خطی مدار پل تاثیر می گذارد که در صورت استفاده از مدار پل باید این موضوع لحاظ شود.

روش های خطی کردن پاسخ ترمیستور
برای خطی کردن پاسخ ترمیستور از روش های متفاوتی می توان استفاده کرد که از آن میان می توان به موارد زیر اشاره کرد:

• یکی از روش های آن این است که یک مقاومت به طور موازی به ترمیستور وصل شود و مقدار این مقاومت باید برابر با مقدار مقاومت ترمیستور در حد میانی دمای مورد نظر باشد.
• استفاده از مدار، تقسیم ولتاژ است که به دلیل مقاومت زیاد، ترمیستور راه حل مناسبی می باشد.
• استفاده از مداری با میکروکنترلر PIC12C508 است.
• استفاده از مدار پایین است که روشی مشابه تقسیم ولتاژ می باشد. در این روش OpAmp با نسبت مقاومت ترمیستور به  Rs ولتاژ خروجی را تولید می کند. یک کار دیگر استفاده از مدار مجتمع AD7711 است که یک A/D می باشد.

• استفاده از مداری با آی سی AD7705 در این روش یک مدار برای اندازه گیری دما با نوعی دیگری از میکرو PIC  در زیر آمده است.

انواع ترمیستورها

ترمیستورها انواع مختلفی دارند که تعدادی از آنها با توجه به نوعشان و کاربردشان در دو شکل زیر نام برده شده اند.

سنسورهای مدار مجتمع

حسگرهای دمای مدار مجتمع ابزارهای نیمه هادی هستند که با روشی مشابه دیگر نیمه هادی ها ساخته می شوند و برای آنها مانند ترموکوپل ها یا RTD ها انواع کلی وجود ندارد .

حسگرهای نیمه هادی دمای مدار مجتمع می توانند به دسته های زیر تقسیم بندی شوند:

• حسگر های پیوسته دما
• حسگرهای رقمی دما

علاوه براین حسگرهای پیوسته به دسته های زیر تقسیم می شوند:

• حسگرهای دمای  با خروجی ولتاژی
• حسگرهای دما با خروجی جریانی

حسگرهای پیوسته می توانند به طور مستقیم به ابزارهای اندازه گیری از قبیل ولت متر ها متصل شوند یا با استفاده از مبدل های A/Dبرای رقمی کردن خروجی ها استفاده شوند تا در کاربردهای مبتنی بر کامپیوتر مورد استفاده قرار گیرد. حسگرهای دمایی رقمی معمولا برای ارتباط با محیط خارج دارای گذرگاه Ic ، گذرگاه SPI یا بعضی دیگر از وا سطه های سه سیمه هستند.

•  حسگرهای دمای با خروجی ولتاژی

این حسگر ها در خروجی، یک سیگنال ولتاژی ارایه می دهند که با دمای اندازه گیری شده متناسب است. انواع زیادی از حسگرهای دما با خروجی ولتاژی وجود دارد

حسگرهای دما با خروجی جریانی

حسگرها با خروجی جریانی مانند منابع جریان ثابت دارای امپدانس بالا عمل می کنند و جریان خروجی متناسب با دما ارایه می دهند. این ابزارها معمولا با ولتاژ بین 4 و30 ولت کار می کنند

– حسگرهای دمای  با خروجی رقمی
این نوع حسگرها خروجی های رقمی تولید می کنند که می توانند به طور مستقیم با ابزار مبتنی بر کامپیوتر ارتباط برقرار کنند. خروجی ها معمولا غیر استاندارد هستند و دما می تواند با استفاده از الگوریتم های مناسب به دست آید.

حسگرهای مدار مجتمع به واسطه برخی از مشخصات اساسی از دیگر حسگر ها متمایز می شوند از قبیل:

 – اندازه های فیزیکی نسبتا کوچک
– خروجی خطی
– محدوده دمایی پاین
– قیمت نسبتا پایین
– می توانند دارای ویژگی های پیشرفته ای از قبیل کاربرد های ترموستاتی، مبدل هایA/D توکار و … باشند.
– نیاز به یک منبع تغذیه برای عملکرد
که این خصوصیات باعث کاربرد بسیار آنها شده است.

سنسورهای  تشخیص انرژی تابشی (بولومتر)

انرژی تابشی که می تواند به شکل نور ،گرما ،امواج رادیویی و در مواردی به صورت تابش یونیزه باشد احتیاج به آشکار سازی دارد و محدوده وسیعی از طیف الکترومغناطیسی را می توان به وسیله اثرات دمایی آن تشخیص داد. وسیله به نام بولومتر (bolometer ) وجود دارد که به سنسورهای نوری مرتبط می شود اما به دلیل رفتار اساسا گرمایی که دارد در اینجا مورد بررسی قرار می گیرد.از بولومتر غالبا در درجه حرارت های بالا (500 الی 3000 درجه سانتیگراد) به عنوان حسگر استفاده می شود.

• یک جسم سیاه تابش حرارتی را به طور کامل جذب می کند و بنابراین زمانی که انرژی تابشی به آن برخورد می کند دمای آن افزایش می یابد. سپس تغییر دما آشکارسازی میشود.انواع قدیمی بولومترها که در قرن نوزدهم مورد استفاده قرار می گرفتند از نوع فلزی بودند و اثر افزایش دما به دلیل تابش ،توسط مدارات پل اندازه گیری حساس آشکار می شد. به دلیل این که تغییر دمای حاصل از انرژی تابش شده ناچیز بوده و بالطبع آن تغییر مقاومت کوچکتر است ، معمولا بولومترها به مدارات پل متصل می شوند به طوری که خروجی حاصل از یک بولومتر که تحت تابش قرار نگرفته با خروجی حاصل از یک بولومتر که قابلا در معرض تابش قرار گرفته مقایسه می شود. بولومترهای جدید با استفاده از سنسورهای نیمه هادی ساخته می شوند و برای اینکه بیشترین مقدار جذب انرژی تابشی را داشته باشند ، کاملا سیاه هستند.

• به ازای هر تغییر کوچکی در دما بیشترین مقدار تغییر مقاومت در ترمیستور ایجاد می شود و این خاصیت باعث شده است که این نوع قطعات برای ساخت بولومتر ایده آل باشند و طبعا چنین بولومترهایی نسبت به انواع قدیمی تر دارای حساسیت آشکارسازی بیشتری هستند.در این نوع کاربرد طبیعت غیر خطی ترمیستور کمتر اهمیت دارد ، زیرا معمولا تغییرات دما جزیی است.

سنسورهای پایروالکتریک ( Pyroelectric detectors )

روکشهای پایرو الکتریک موادی هستند که وقتی تحت تابش شعاع های فرو سرخ قرار می گیرند ، صفحات آنها باردار می شود.در گذشته برای این مورد از لایه های پلاستیکی استفاده می شد، اما ماده ای که اکنون برای آشکارسازی فروسرخ غیرفعال(PIR) مدرن مناسب تشخیص داده شده ، تانتالات لیتیم است.ساختمان یک آشکارساز مشابه با یک خازن است که یکی از صفحات آن از جنس فلز وصفحه دیگر آن یک ماده پایروالکتریک با صفحه هدایت کننده است. به دلیل اثر فروسرخ در جداسازی بارها روی ماده پایروالکتریک (که به اشتباه اما به واقع پلاریزاسیون نیز نامیده می شود) همزمان با تغییر مقدار تابش فروسرخ ورودی ، مقدار بار الکتریکی و بالطبع آن ولتاژ بین دو صفحه خازن پایروالکتریک نیز تغییر می کند.

ثابت زمانی دارای مقدار بزرگی است به طوری که سرعت پاسخ به تغییرات در شعاع های فروسرخ در محدوده 2/0 تا 1 هرتز است.به هر صورت به دلیل اینکه آشکار ساز به شکل یک خازن عمل می کند ، دارای پاسخ از نوع DC نمی باشد ، به طوری که یک منتشرکننده فروسرخ غیرمتحرک قابل تشخیص و آشکارسازی نخواهد بود.مضافا به این که خازن دارای امپدانس بسیار بالایی است.

پارامترهای اصلی آشکارساز پایروالکترونیک عبارتند از:
1- قدرت معادل نویز( NEP )
کمیت NEP برای یک انرژی منبع ، سرعت تغییر سیگنال و عرض باند بیانگر پایین ترین حدی است که یک آشکارساز می تواند مفید باشد، زیرا سیگنال هایی که پایین تر از این حد باشند زیر سطح نویز قرار می گیرند.
2- پاسخ دهی
پاسخ دهی را می توان به صورت ولتاژ یا جریان خروجی به عنوان ولت بر واحد انرژی تابشی و یا جریان بر واحد انرژی تابشی ، دریک طول موج مسلط و یا دمای رنگی منبع تعریف کرد.
3- پاسخ فرکانسی
پاسخ فرکانسی یک پاسخ دهی به معنای تغییر پاسخ دهی برای فرکانسهای مدولاسیون (نه فرکانس تابش شده) است و این مطلب بستگی به عمل یک فیلتر پایین گذر با یک قله کمتر از 1 هرتز دارد.

شکل زیر یک نمونه واحد فروسرخ غیر فعال PIR را که با استفاده از محفظه آی سی DIL با 8 پین ساخته شده نشان می دهد. مدار معادل آن تشکیل شده از دو خازن پایروالکتریک است و به گونه ای وصل شده اند که ولتاژهای آنها به یکدیگر اضافه می شود و این ولتاژ جمع شده به گیت یک MOSFET که سورس و درین آن دو پین از محفظه آی سی را تشکیل می دهند اعمال می شود.

این واحد آی سی را می توان به همراه یک عدسی تراش خورده (عدسی فرزنل) به کار برد، زیرا لازم است تابش های فروسرخ ارسالی از شی به سطح پایروالکتریک به صورت متمرکز و با شدت هر چه بیشتر بتابد و در ضمن باعث می شود هر نوع حرکت شی متحرک با زاویه بیشتری کنترل شده و شعاع های فرو سرخ حاصل از شی متحرک گرم از زاویه دید بزرگتری توسط واحد PIR جاروب شود.

نتیجه گیری

برای اندازه گیری دما انواع مختلفی از سنسورها وجود دارد. برخی از حسگر های نوع قدیمی تر عبارتند از ترموکوپل ها ، RTD ها و ترمیستورها.این حسگر ها به دلیل محاسن و کارآیی زیاد به طور گسترده به کار برده می شوند. نسل جدید حسگرها مانند حسگرهای مدار مجتمع و ابزارهای سنجش دما به روش تابش، تنها برای تعداد محدودی از کاربردها شناخته شده است.

انتخاب نوع حسگر بستگی به میزان دقت، محدوده دمایی، سرعت پاسخ اتصال حرارتی، محیط( از نظر شیمیایی، فیزیکی یا الکتریکی بودن ) و همچنین قیمت دارد. سنجش دما توسط تابش نیاز به سخت افزار و نرم افزارخاص برای پردازش سیگنال دارد و به همین جهت در این تحقیق به آن زیاد پرداخته نشد.

معمولا ترموکوپل ها در صنایع شیمیایی با دمای بالا ( مثل فرآیندهای شیشه یا پلاستیک سازی) استفاده می شوند. در کاربردهای محیطی، سرگرمی های الکترونیکی و صنایع خودکار معمولا از ترمیستورها یا حسگرهای مدار مجتمع استفاده می کنند. RTD ها معمولا در دماهای پایین و صنایع شیمیایی با دقت بالا به کار می روند.

مرضیه ابراهیمی