سنسور دما

حسگر دما:

حسگرهای دما یکی از پر کاربردترین حسگرهای قابل استفاده در صنعت می باشد. اندازه گیری دما به چند روش امکان پذیر می باشد که عبارت انداز:

1) ترموکوپل

2) RTD 

3) ترمیستور

ترموکوپل:

لغت Thermocouple از ترکیب دو واژه Thermo (دما) و Couple (جفت) ساخته شده است. این سنسور ها برای اندازه گیری دما از یک جفت آلیاژ فلزی رسانا ساخته میشوند.  وقتی به محل اتصال این دو آلیاژ حرارت داده شود، اختلاف پتانسیلی در دو سر آلیاژ ها بوجود می‌آید. این اختلاف پتانسیل تابع میزان حرارت اعمال شده‌ است و بنابراین با بررسی میزان ولتاژ خروجی می‌توان درجه حرارت اعمال شده به ترموکوپل را تشخیص داد. رایج ترین نوع سنسور های Thermocouple در صنعت عبارتند از ترموکوپل های نوع J و K . ترموکوپل ها دو سیم در خروجی دارند. بر اساس استاندارد، رنگ سیم ها می تواند  نشان دهنده نوع ترموکوپل باشد.

مزایا: قیمت ارزان، رنج دمایی گسترده، زمان پاسخگویی سریع و دوام زیاد در کاربردهایی که با لرزش زیاد همراه هستند.

معایب: دقت ترموکوپل از RTD کمتر است، پایداری سیگنال در طول زمان به خطر می افتد. در دماهای بالا به صورت متناوب نیازمند تعویض است. بر اساس مکانی که نصب شده است، با توجه به تغییر دمای محیط در فصول مختلف سال، ممکن است شاهد تغییر سطح سیگنال میلی ولت تولید شده توسط ترموکوپل باشیم.

به هنگام خرید ترموکوپل رعایت چه نکاتی ضروری است؟

1- بازه دمایی ترموکوپل
اولین نکته‏ ای که در انتخاب ترموکوپل باید به آن توجه کرد بازه دمای اندازه‏ گیری در پروسه دمایی است و باید بدانیم مقدار دمایی که قرار است اندازه‏ گیری شود چقدر است. برای این کار باید به نکات زیر توجه کنیم :
حداکثر دما چقدر است؟
آیا در پروسه اندازه گیری دمای منفی داریم؟

اگر در پروسه اندازه ‏گیری دمای منفی صفر و یا دمای بالای صفر دارید باید نوع ترموکوپل انتخابی مناسب رنج دمایی مورد نظر باشد. در جدول زیر انواع ترموکوپل و بازه دمایی آنها نشان داده شده است.

بازه دمایی ترموکوپل در ساختار و طراحی آن تاثیر بسزایی دارد،در ساخت ترموکوپل ‏هایی که در دمای بالا استفاده می‏شوند برای افزایش طول عمر معمولا از چند لایه سرامیک استفاده می‏شود.

۲- قطر غلاف ترموکوپل

از دیگر مواردی که در هنگام خرید سنسورهای دمای ترموکوپل باید به آن توجه کرد قطر غلاف می باشد،بسته به این که طریقه نصب شما به چه صورت می باشد قطر غلاف ترموکوپل مهم می باشد.از این رو ترموکوپل ها در سایز های مختلفی تولید می شوند که بسته به نیاز خریدار از همان سایز استفاده می شود.

۳- طول غلاف ترموکوپل

یکی از نکات مهم در هنگام خریداری و سفارش ترموکوپل طول غلاف می باشد،اندازه غلاف از ابتدای غلاف تا محل اتصال غلاف را طول غلاف می گویند.نکته ای که باید به آن توجه کرد مقدار قرار گیری غلاف در داخل سیالی که دمای آن باید اندازه گیری شود، معمولا ۱۰ برابر قطر غلاف را در داخل محل اندازه گیری دمای آن قرار می دهد یعنی اگر قطر غلاف ترموکوپل ۶ میلیمتر بوده باید به اندازه ۶ سانتی متر از ترموکوپل را به داخل محل اندازه گیری قرار داد.

4- اتصالات ترموکوپل
نوع نصب ترموکوپل از دیگر نکاتی است که در انتخاب ترموکوپل باید مورد توجه قرار بگیرد که با توجه به ساختار و مورد استفاده متفاوت است. بطور کلی به روش‏های زیر می‏توان ترموکوپل را در محل سنجش دما نصب کرد :
اتصال فلنج
اتصال پیچی
اتصال سطحی (تماسی)
اتصال پیچی(تماسی)

5- جنس غلاف ترموکوپل
غلاف ترموکوپل از مواد مختلفی تشکیل می‏شود که هر کدام مشخصات منحصر به خود را دارند و با توجه به شرایط محیطی از این مواد در ساخت غلاف ترموکوپل استفاده می‏شود. بعنوان مثال اگر در پروسه اندازه‏گیری تغییرات ناگهانی دما و یا اینکه در محیط اندازه‏گیری مواد خورنده و رطوبت بالا وجود دارد باید غلاف سرامیکی استفاده شود که مقاومت بالاتری در مقابل شرایط سخت دارد. برخی از مواد که در ساخت غلاف ترموکوپل استفاده می‏شوند:
سیلیکن کاربید
سرامیک (آلسینت-پیتوگراس)
استیل

6- سیگنال خروجی
نوع سیگنال خروجی ترموکوپل با توجه به نوع و فاصله کنترلر با ترموکوپل انتخاب می‏شود. سیگنال خروجی ترموکوپل ولتاژی در حدود 50 میلی ولت است که در برخی موارد مجبور به استفاده از ترانسمیترهای دما هستیم که سیگنال ترموکوپل را به یک سیگنال استاندارد صنعتی (سیگنال جریانی 20-4 یا سیگنال ولتاژی 5-0) تبدیل می‏کند.
در مواردی که در نزدیکی ترموکوپل کابل‏های قدرت و یا تجهیزات الکترونیکی فرکانس بالا مانند درایورها وجود داشته باشد باید از سیم ‏های جبران کننده ترموکوپل استفاده شود.

مزیت سیگنال جریانی نسبت به ولتاژی به شرح زیر است

• نویز پذیری کم به دلیل جریانی بودن
• طول کابل بیشتر نسبت به ولتاژی
• دقت بیشتر

اگر فاصله ترموکوپل به کنترلر و یا نمایشگر کم باشد و در مسیر سیم کشی سیم های قدرت ، تجهیزات الکترونیکی فرکانس بالا مثل اینورتر و سافت استارتر وجود نداشته باشد شما میتوانید بدون نیاز به ترانسمیتر سیگنال را توسط کابل های جبران ساز انتقال دهید.

7- تهیه نقشه ترموکوپل

از مهم ترین موارد در هنگام خرید و سفارش یک ترموکپل ارائه دادن یک نقشه با مشخصات کامل به سازنده ترموکوپل می باشد که مشخصاتی مانند طول غلاف ، قطر غلاف ، نوع کلگی ، نوع اتصالات و دیگر مشخصات از قبیل تایپ ترموکوپل در آن مشخص شده باشد تا دچار مشکلاتی در پروسه خرید ترموکوپل نشوید.

انواع ترموکوپل ها 

1-نوع E : کرومل و کنستانتان( chromel and constantan)

2-نوع j : آهن و کنستانتان( Iron and constantan)

3-نوع T : مس و کنستانتان ( copper and constatan)

4-نوع   k: کرومل و آلومل ( chromel and Alumel)

5- نوع N : نیکروسیل و نیسیل ( nicrosil and nisil)

6- نوع B و S و  R : پلاتین و رودیوم (platinum and Rhodium)

سنسور RTD چست؟

RTD مخفف Resistance Temperature Detector به معنی حسگر مقاومتی دما می باشد. RTD ها از نوع سنسورهای خطی در اندازه گیری دما می باشند که سیگنال خروجی شان به صورت یک سیگنال مقاومتی است. مقاومت اندازه گیری شده را می توان با استفاده از جداول و روش های استاندارد به مقدار دمای متناظرش تبدیل نمود. اما المان های RTD از جنس پلاتین مرسوم ترین نوع RTD اند که دو نوع اصلی آن با عنوان PT100  و PT1000 وجود دارند. این سنسور ها میتوانند در انواع دو سیمه ، سه سیمه و چهار سیمه تولید شوند که نوع سه سیمه از بقیه رایج تر است (تعادل بین دقت و قیمت). معمولا رنگ دو سیم در RTD یکسان است و سیم سوم رنگ دیگری دارد.

مزایا: دقت بالا،  پایداری، تکرار پذیری و عمر طولانی
معایب : قیمت بالا، زمان پاسخگویی پایین، رنج دمایی کوچک (برای دماهای خیلی پایین و خیلی بالا مناسب نیست)

نکته:

فاکتورهای مهم برای انتخاب بین ترموکوپل یا RTDبه ترتیب دمای فرایند و دقت اندازه گیری می باشد .

مثال:

دمای فرآیند

۱ – کمتر از ۲۰۰ درجه سانتیگراد

هر دو سنسور RTD و thermocouple قابل استفاده هستند.

۲ – بین ۲۰۰ درجه و ۵۰۰ درجه سانتیگراد

احتمالا استفاده ازthermocouple مناسبتر باشد.

۳ – بیشتر از ۵۰۰ درجه سانتیگراد

برای اپلیکیشن هایی که دمای فرآیند بالا دارند، به thermocouple نیاز است. RTD ها در این دما عملکرد درستی ندارند.

دقت اندازه گیری

۱ – دقت مورد نیاز ±۰٫۱% (± یک دهم درصد) یا ±۰٫۰۱% (± یک صدم درصد)

تنها یک RTD میتواند چنین سطح دقتی عملکردمناسب ارائه کند

۲ – دقت مورد نیاز ±۱% (± یک درصد) یا بزرگتر

اگر میزان دقت اهمیت بالایی ندارد و یا اینکه به یک سنسور (rugged) احتیاج است تا در کاربرد های با لرزش بالا دوام بیاورد، ترموکوپل مناسب است.

در مقایسه سنسورهای دما می توان گفت که RTD زمان پاسخ و دقت بیشتر نسبت به ترموکوپل دارد.

ترمیستور

این حسگر نیز برای حس کردن دما به کار می رود. به مقاومت های حساس به دما که از مواد نیمه هادی ساخته میشوند ترمیستور (Thermistor) می گویند.