مقدمه برسنسور ها
در پروسه کنترل، ثبت، اندازه گیری، و نمایش حرارت یک سیستم یا شئ اختلاف بسیاری زیادی بین مفاهیم "سنسور حرارت" و "اندازه گیری حرارت" وجود دارد. یک دماسنج جیوه ای معمولی می تواند به آسانی برای اندازه گیری دمای اتاق، یک مایع و ... مورد استفاده قرار گیرد، در حالیکه از آن نمی توان برای ثبت و کنترل دمای محیط یا شئ مورد اندازه گیری استفاده نمود. متقابلاً یک سنسور گرما نمی تواند برای نشان دادن دمای محیطی که در آن قرار گرفته شده است بتنهایی مورد استفاده قرار گیرد. سنسورهایحرارت را میتوان بطور کلی به دو گروه تماسی و غیر تماسی تقسیم کرد.
سنسور تماسی یا Contact Sensor برای اندازه گیری دمای محیط در واقع دمای خودش را را اندازه گیری می کند. با تماس این سنسور به شئ تحت کنترل یا قرار گرفتن آن در محیط تحت اندازه گیری، تعادل گرمایی بین سنسور و محیط ایجاد میشود. در این حالت جریان گرما یا Heat Flow بین محیط و سنسور وجود ندارد.
شکل یک - انواع سنسورهای حرارتی نیمه هادی
در سنسورهای حرارتی غیر تماسی آنچه سنجیده می شود توان حرارتی مادون قرمز یا نوری متصاعد شده ای است که از یک سطح ( یا جسم) با مساحت (یا حجم) مشخص یا قابل محاسبه دریافت می گردد.
علاوه بر این، روشهای پیشرفته ترموگرافی با تصویر برداری از اجسام و تجزیه و تحلیل تصاویر دریافتی که قادر به اندازه گیری دقیق دمای اجزای مختلف جسم است نیز در زمره سنسورهای حرارتی غیر تماسی قرار میگیرد.
شکل دو - ترمومتر لیزری دمای جسم هدف را بطور غیر تماسی اندازه گیری میکند
شکل سه - انواع دوربینهای ترموگرافی (در مدلهای پیشرفته تر می توان با تعویض لنز طیف دمای مورد نظر را ثبت و پردازش کرد)
سنسورهای حرارتی تماسی تنوع و فراوانی بسیار بیشتری نسبت به نوع غیر تماسی دارند. این سنسورها شامل: انواع ترموکوپلها TC، مقاومتهای RTD و PRT، ترمیستورها، بی متالها، ترمومترهای شیشه ای، ترمو ولها، و انواع نیمه هادی شامل دیود، ترانزیستور و آی سی های اندازه گیری و کنترل دما هستند.
علاوه بر موارد فوق می توان به میکرو ترموفیوزها و محافظهای حرارتی نیمه هادی نیز اشاره کرد. یک قطع کننده حرارتی از نوع ترموفیوز در بسیاری از مدارهای مجتمع مدرن، مادربوردها، و سیستمهای پیشرفته الکترونیکی باعث بالاتر رفتن حفاظت چیپها، CPU ها و سایر اجزای گران قیمت آنها در برابر دمای بالا میشود.
سنسورهای حرارتی فیلم ضخیم، Thermo MEMS یا سنسورهای میکروالکترومکانیکی حرارتی، وسنسورهای حرارتی پسیو موج سطحی Surface Acoustic Waveیا بطور اختصار SAW سنسور، نیز از انواع سنسورهای تماسی بوده که امروزه کاربرد وسیعی در اندازه گیری و کنترل دمای پروسه دارند.
ترموسنسورهای غیر تماسی نیز شامل ترمومترهای IR (مادون قرمز) و لیزری، تصویربرداری حرارتی و انواع طیف سنجهای نوری است. در مطلبی تحت عنوان اندازه گیری دما به روش IR و پیشرفتهای صورت گرفته در این مورد قبلاً دو مطلب منتشر شد که برای خواندن آنها می توانید اینجا و اینجا را کلیک کنید.
بطور کلی این دسته از سنسورهای حرارتی بر مبنای قابلیت طیف منتشر شده اندازه گیری را صورت می دهند. هرچند هنوز بکارگیری این گروه از سنسورها در صنعت به فراگیری RTDها و ترموکوپلها نرسیده است اما کارآیی غیرقابل انکار آنها وقتی آشکار میشود که استفاده از انواع سنسورهای تماسی در محل مورد اندازه گیری عملاً غیرممکن میشود.
به عنوان مثال در صنایع ریخته گری فولاد، مس وسایر فلزات که با کوره های بزرگ مذاب سر و کار داریم، اگر چه استفاده از ترموکوپل بهمراه کابلهای ارتباطی دمای بالا امکان پذیر است، اما سرویس، نگهداری و تعمیرات چنین سیستم کنترلی عملاً و در شرایط بهره برداری ناممکن می نماید.
سنسورهای دما
اندازه گیری دما و ابزار مربوط به آن، بخش مهمی از موضوع کنترل پروسه های صنعتی می باشد.
در اینجا ساختار و اصول اندازه گیری دما را براتون توضیح میدم.
1- انبساط در اثر افزایش دما
ساختار این مبدل ها، بر اساس انبساط اجسام و مایعات و گازهای استفاده شده است.
الف) ترمومترهای شبشه ای( مایعی)
ترمو متر های شیشه ای در طیف گسترده ای از جمله ترمو متر های جیوه ای و الکلی استفاده شده اند که اکثراً به عنوان نمایشگر دما هستند. دقت اندازه گیری این نوع ترمومترها %1 و در نوع صنعتی %0.15 می باشد و گستره دمای آنها بین 200~100- درجه سانتیگراد می باشند.
ب) ترمو متر های بی متال (Bimetallic Temprerature Sensor)
اگر نوار های فلزی (A,B) با ضریب انبساط حرارتی متفاوت به هم جوش خورده باشند، در اثر افزایش دما، نوار فلزی با ضریب انبساط بیشتر طول بیشتر و نوار دیگر طول کمتر خواهد داشت. بنابراین انتهای نوار نسبت به ابتدای آن به طرف نوار دوم انحنا پیدا می کند. ترمو متر های بی متال به صورت گسترده، به عنوان سوییچ های اد وضعیتی مخصوصاً برای پروسه های حرارتی با توان کم( وسایل خانگی و ...) مورد استفاده قرار می گیرند. در صورتی که این مبدل به صورت حلزونی ساخته شود، به دلیل طول زیادی که پیدا می کند انتهای آزاد ـن تغییر مکان خواهد داست و در عمل به تفکیک پذیری بیشتر می انجامد. برای رسیدن به حساسیت بیشتر، از نوارهای با آلیاژهای نیکل و برنز استفاده می شود.
جنس و ساختمان ترموکوپل:
ترموکوپل ها از فلزات پایه ای یا فلزات نوبل ساخته می شوند. زوج فلز ترموکوپل های مهم و حداکثر دمای کاری آنها در جدول قرار داده شده است. ترموکوپل های از نوع ساده و بدون پوشش در محیط های محافظت شده مانند آزمایشگاه ها به کار می روند و مزیت آنها سرعت پاسخ بالا و قیمت پایین است. در محیط های خورنده از ترموکوپل های پوشش دار استفاده می شود که در آن ترموکوپل در داخل یک پوشش محافظ از جنس مناسب( معمولاً نیکل، فولاد ضد زنگ و سرامیک) قرار می گیرد. استفاده از پوشش، ترموکوپل را با دوام اما باعث کاهش سرعت پاسخ دهی می شود. ترموکوپل ها دارای انواع مختلفی از جمله K, J, R, S, B و...می باشند. در جدول زیر مشخصات برخی از انواع آورده شده است.
مشخصات |
محدوده(درجه سانتیگراد) |
نوع ترموکوپل |
حساسیت بالا-مناسب برای محیط اکسید کننده و نامناسب برای محیطهای احیا کننده |
900 الی 200- |
کرومل- کنستانتین E: |
در دمای بالا- مناسب برای محیط اکسید کننده و نامناسب برای محیطهای احیا کننده |
1200 الی200- |
کرومل- آلومل K: |
در دمال بالا- مناسب برای محیط اکسید کننده و نامناسب برای محیطهای احیا کننده |
1200 الی 200- |
نیکروسیل- نیسیل N: |
جهت کاربرد های عمومی |
1000 الی 150- |
آهن- کنستانتینJ: |
در محیط احیا کننده و خلاء |
350 الی 200- |
مس- کنستانتین T: |
طول عمر و پایداری زیاد- نامناسب برای محیط های احیا کننده |
1500الی 0 |
پلاتین-30% رودیومB: |
طول عمر و پایداری زیاد- نامناسب برای محیط های احیا کننده |
1500الی 0 |
پلاتین-13% رودیومR |
طول عمر و پایداری زیاد- نامناسب برای محیط های احیا کننده |
1500الی 0 |
پلاتین-10%رودیومS: |
RTDها
همانطور که می دونید مقاومت فلزات با دما افزایش یافته و بنابراین مقاومت ویژه آنها مثبت است.
خواص فلزات مورد استفاده در RTD :
- مقاومت ویژه و ضریب دمای مقاومت ویژه بالا
- قابلیت تبدیل به شکل سیم نازک
- مقاوم در برابر خوردگی
- نقطه ذوب بالا و فراریت پایین
طبیعتاً از فلزاتی استفاده می شود که حساسیت بالاتری داشته باشند. عموماً از فلزاتی چون نیکل، پلاتین، آلیاژنیکل، آهن و مس استفاده می شود. از مس در ژنراتور ها و ترانسفورماتورها استفاده می کنند.نیکل و آلیاژ نیکل آهن، نسبت به پلاتین در بازه زمانی کمتری خطی اند و پلاتین در بازه زمانی بیشتری خطی است. به جهت خصوصیاتی همچون خطی بودن(خطی تر بودن نسبت به دیگر فلزات) پایدار بودن، دقت و ... در صنعت از پلاتین استفاده می شود.
RTD=R ̥(1+σT)
R ̥: مقاومت پلاتین در دمای صفر درجه
T: دمای پلاتین
σ: ضریب مقائمت گرمایی
RTDها در اشکال گوناگون ساخته می شوند. در نوع صنعتی سیم مقاومتی بر روی یک سرامیک پیچیده شده و سپس سرامیک با شیشه آب بندی گردیده و در داخل یک پوشش فولاد ضد زنگ قرار می گیرد. محیط شیشه ای، سیم پیچ را از عوامل خورنده محافظت می کند.حسگر با سیم های رابط و اتصالات مناسب به یک(Thermo well) یا چاه حرارتی متصل می شود.حداقل قطر 1mm جهت پاسخ های سریع و حداکثر 6mm جهت کاربرد های صنعتی است.
خطای RTD:
این خطا ناشی از عوامل زیر می باشد:
نا خالصی در سیم فلزی
خطای خود گرمایش
خطای دمای محیط
مزایا و معایب RTD:
مزایا:
رفتار خطی در گستره وسیع عملیاتی
محدوده وسیع دمای اندازه گیری
قابلیت اندازه گیری دماهای بالا
پایداری بهتر در دماهای بالا
معایب:
حساسیت کم
قیمت بالاتر در مقایسه با حسگر های مشابه
تفاوت ها ی کلی حسگر ها
برای اندازه گیری دما انواع مختلفی از حس گرها وجود دارد.برخی از حسگر های نوع قدیمی تر عبارتند از ترموکوپل ها RTDها و ترمیستورها .این حس گرها به دلیل محاسن و کارآیی زیاد به طور گسترده به کار می روند نسل جدید حس گرها مانند حس گرهای مدار مجتمع و ابزارهای سنجش دما به روش تابش تنها برای تعداد محدودی از کاربردها شناخته شده است و مورد استفاده قرار می گیرد.
انتخاب نوع حس گر بستگی به میزان دقت محدوده دمایی سرعت پاسخ اتصال حرارتی محیط (از نظر شیمیایی الکتریکی و یا فیزیکی بودن)و همچنین قیمت دارد.
اندازه گیری دماهای پایین و بسیار بالا مناسبتری انتخاب ترموکوپل ها میباشند.محدوده اندازه گیری معمول ترموکوپلها بین 270تا2600 است.ترموکوپل ارزان و بسیار مقاوم است و می توان از آنها در بسیاری از محیط های فیزیکی و شیمیایی استفاده کرد.برای عملکرد آن ها نیاز به تغذیه خارجی وجود ندارد و دقت آنها معمولا مثبت , منفی یک درجه است.
RTDها در محدوده دماهای میانی از 200- تا600+ سانتیگراد بکار می روند .این حسگر ها دقت بالا معمولاً در محدوده مثبت و منفی 2 درجه سانتیگراد را دارا می باشند.RTD هاهمچنین می توانند در بیشتر محیط های فیزیکی و شیمیایی استفاده شوند ولی به اندازه ترموکوپل ها مقاوم نیستند.
ترمیستورها در کاربرد های دمایی پایین تا میانی در محدوده 50- تا200+ بکار میروند .این حسگر ها به اندازه ترموکوپل ها و RTDها مقاوم نیستندو نمی توان از آنها به راحتی در محیط های شیمیایی استفاده کرد.ترمیستور ها ارزان قیمت تر هستنند.
حسگر های نیمه هادی در کاربردهایی با دمای پایین ودر محدوده 40- تا 125+ بکا رمیروند .اتصال آنها با محیط کامل نیست .قیمت ارزانی دارن و در بعضی مدل های مستقیم و بدون نیاز به مبدل A/Dبه کامپیوتر وصل می شوند.
خطاهای اندازه گیری:
منابع مختلفی می توانند برای ایجاد خطا در حین اندازه گیری دما وجود داشته باشند که برخی از خطا های مهم توضیح داده می شود.:
خطاهای تنظیم:
خطاهای تنظیم در اثر خطاهای انحراف و خطای خطی پدید میاید .این خطاها در اثر چرخه های طولانی حرارتی ایجاد میشود و معمولاً سازندگان توصیه می کنند که ابزار اندازه گیری را هر چند وقت یکبار تنظیم کنید.در زمان تعویض حس گر از همان نوع حتماً باید عمل تنظیم مجدد صورت پذیرد.RTDها دقیقترین و پایدارترین حس گر ها هستند.
ایجاد حرارت در اثر عمل حس گر:
RTDها ترمیستور ها و حسگر های نیمه هادی برای خواندن خارجی نیاز به منبع تغذیه خارجی دارند . این منبع می تواند سبب گرم شدن حس گر و در عمل خواندن خطا ایجاد کند.
اغتشاش الکتریکی :
اغتشاش الکتریکی نویز سبب ایجاد خطا در اندازه گیری می شوند .ترموکوپلها ولتاژ بسیار پایینی تولید می کنند و به همین دلیل اغتشاش می توانند به راحتی بر اندازه گیری آنها اثر بگذارند .با استفاده از فیلترهای پایین گذر دور نگه داشتن حس گر ها و سیمها از ابزارهای الکتریکی می توانند این مقدار را به حداقل رساند.
فشار مکانیکی:
برخی حس گر ها مثل RTD ها به فشار مکانیکی حساس هستند و وقتی در معرض فشار قرار می گیرند خروجیها نادرست ایجاد می کنند.با اجتناب از تغییر فرم حس گر استفاده نکردن از مواد چسبنده برای اتصال ثابت حس گر و استفاده از ترموکوپل که حساسیت کمتری نسبت به فشار مکانیکی دارند می توانند را گشای باشد.
معرفی سنسورهای LM
کلیه سنسور های LM,تولید شرکت National semiconductors جزء پرکاربردترین سنسور های تعیین دما هستند.
تعریف سنسور به طور کلی:
سنسور به طور ساده تشعشع را اندازه گیری می کند و به سبب آن دمای شئ را اندازه گیری می کند.
معروف ترین سنسور در گروه LMها, سنسور LM35 است که عملکرد خطی سنسور که برای هر یک درجه افزایش دما 10 میلی ولت تغییرات در خروجی دارد.اندازه گیری دما بین منفی 55 تا مثبت 150درجه سانتیگراد و ولتاژکاری 4تا30 ولت و جریان د رحدود 60میلی آمپر دارد.
Temperature sensors
Lm135 lm60 lm77
Lm235 lm61 lm80
Lm334 lm62 lm81
Lm34 lm66 lm82
Lm35 lm70 lm83
Lm45 lm74 lm84
Lm50 lm75 lm87
Lm56 lm76 lm92
سنسور LM75
LM75 یک اندام حسی درجه حرارت است همراه با مبدل آنالوگ به دیجیتال (یا به بیانی تغییرات دلتا ـ سیگما ) و همچنین دارای آشکار ساز دیجیتالی افزایش بیش از حد دما ازطریق رابط I2C می باشد
این سنسور قادر به خواندن دما در کسری از ثانیه است آی سی LM75 می تواند به عنوان کلید حرارتی مستقل نیز عمل کند برای چنین کاری می توان محدوده بالایی و پایینی دما برای تغییر وضعیت کلید را برنامه ریزی کرد وقتی دمای اندازی گیری شده از محدوده تعیین شده خارج شود ، خروجی مدار در سطح منطقی پایین قرار می گیرد این خروجی را می توان به عنوان وقفه برای کامپیوتر یا میکرو کنترلر به کار برد هنگام روشن شدن مدار ، محدوده های بالایی و پایینی حرارتی بر روی 75 درجه و 80 درجه تنظیم می شود .
این سنسور به صورت SMT و برای کار با ولتاژ تغذیه 3/3 تا 5 ولت ساخته شده است و می تواند دمای مورد نظر را با تفکیک پذیری نیم درجه از ۵۵ - تا ۱۲۵ + درجه سانتی گراد اندازه گیری کرد یکی از دیگر محاسن این سنسور آن است که جریان لازم برای کارش در حدود ۲۵۰ میکرو آمپر است که این جریان در بعضی موارد به یک میلی آمپر هم می رسد و در حالت خاموش در حدود یک میکرو آمپر جریان می کشد در زیر شمای پایه های سنسور را مشاهده می کنید پایه های ۴ و ۸ پایه های تغذیه سنسور هستند و بنا به مدل سنسور از ۳.۳ تا ۵ ولت تغییر می کنند در ضمن برای تغذیه حتما یک خازن 1. میکرو فاراد باید به پایه 8 وصل شود .
پایه شماره ۳ می تواند هم به عنوان یک وقفه برای پروسسور استفاده شود هم می تواند محدوده بالایی را مشخص کند یعنی این که وقتی دما به محدوده بالایی ( ۷۵ درجه) رسید این سنسور این پایه را صفر می کند ( این پایه ACTIVE LOW است)
همان طور که در مباحث ذکر شد این سنسور از پروتکل I2C استفاده کرده یعنی برای استفاده از این سنسور باید بتوانید با این سنسور ارتباط سریال داشته باشید که این یکی از محاسن این سنسور است این سنسور ۸ پایه دارد.
پایه شماره ۱ و ۲ یعنی SDA و SCL پایه های ارتباط I2C سنسور هست که اغلب به میکرو ای که قادر به ارتباطات اینترفیس باشد وصل می شود
پایه های ۵ و ۶ و ۷ این سه پایه یعنی A0 و A1 و A2 این سه پایه آدرس های اینترفیس سنسور هستند در پروتکل I2C فرمانده که می تواند یک میکرو باشد برای ارتباط با فرمانبرها آنها را با یک اسم می شناسد که این است 8 بیت که 7 بیت اول نام سنسور است و بیت 8 به سنسور اعلام می کند که گیرنده باشد یا فرستنده 4 بیت اول اسم سنسور 1001 است و غیر قابل تغییر است و سه بیت کم ارزش توسط این سه پایه تعریف می شود که بهتر است هر سه صفر یا یک باشند .
همان طور که گفته شد بعد از ارتباط با سنسور و صدا کردن آن توسط بیت هشتم وضعیت سنسور را تعیین می کنیم یعنی به سنسور اعلام می کنیم که اطلاعات بفرستد یا اطلاعات بگیرد که ما این وضعیت را 1 قرار داده و سنسور را فرستنده می کنیم تا میزان دما را برای ما بفرستد.
ساخت دماسنج دیجیتال با سنسور LM35و LM34
شما به کمک مولتی‌متر دیجیتال (ارزان) و آی‌سی حسگر دما، می‌توانید دماسنج حساس و دقیقی را بسازید و بوسیله‌ی آن آزمایش‌های بسیاری را در اطراف خانه و یا آزمایشگاه مدرسه انجام دهید.
دو حسگر دما وجود دارد که کار این پروژه را راحت نموده است. نام اختصاری این دو حسگر LM34 و LM35 است. اینها به ترتیب بر حسب فارنهایت و سلسیوس درجه‌بندی شده‌اند و وقتی عددی را در مولتی‌متر قرائت می‌کنید آنها به ازای هر درجه حرارت 10میلی‌ولت برق تولید می‌کنند، بنابراین مستقیماً از مولتی‌متر میتوان دما را خواند و فقط کافی است عدد خوانده شده را بر ده تقسیم کنیم.
وسایل مورد نیاز
ما برای قرائت ساده و دقیق از مولتی‌متر دیجیتال استفاده کرده‌ایم.
برای اندازه‌گیری دما بر حسب فارنهایت آی‌سی LM34.
برای اندازه‌گیری دما بر حسب سلسیوس آی‌سی LM35
مقاومت 180000 اهمی. روی این مقاومت چهار نوار رنگی وجود دارد. رنگ‌ها به ترتیب: قهوه‌ای، خاکستری، زرد و طلایی است.
باتری 9 ولت
سر باتری 9 ولت
2 سیم سرسوسمار دار
سه سیم بلند (اختیاری)
نوارچسب برق یا شیلنگ حرارتی هیت‌شیرینک (اختیاری)
در تصویر سمت راست، مولتی‌متر روی مقیاس 0 تا 2000میلی‌ولت (0 تا 2ولت) قرار داده شده‌است. به عقربه‌ی دستگاه توجه کنید که روی "2000m" قرار دارد.
عددی که نشان میدهد 791 میلی‌ولت است که متناظر 79.1 درجهی فارنهایت می‌باشد (زیرا مولتی‌متر به حسگر دمای LM34 وصل است)
در تصویر مقابل، حسگر LM35 روی یک تکه یخ قرار دارد، دمای آب ذوب شده از یخ را 8.9 درجهی سلسیوس نشان میدهد. در این آزمایش به طور ساده ما سوسماری‌ها را به دو پایه‌ی حسگر وصل کرده‌ایم و سیم قرمز سر باتری را دور پایه‌ی سوم پیچیده‌ایم.
برای ساخت دماسنج دائمی، میتوان سیمها (حدود 1.5 متر سیم خوب است) را به سه پایه‌ی حسگر دمای فارنهایت LM34 لحیم نمود. از سه رنگ مختلف استفاده کنید و توجه داشته باشید کدام رنگ به کدام پایه وصل شده است. مقداری نواچسب برق حول پایه‌ی وسط بپیچید تا با دو پایه‌ی دیگر اتصال پیدا نکند، سپس حول هر سه پایه نوارچسب برق، بپیچید یا میتوان هر سه پایه را در لوله‌ی هیت‌شیرینک برده با گرم کردن آن لوله‌ی شیرینک را جمع نمود.
مخصوصاً سیمها را بلند در نظر گرفته‌ایم، تا بتوان دمای داخل جعبه‌ها یا بیرون خانه را اندازه گرفت. 1.5 متر سیم این امکان را میدهد تا دماسنج را داخل یخچال یا فریزر قرار دهیم یا مولتی‌متر را در محلی خارج از آنجا که دما سنجیده میشود بگذاریم. از این وسیله میتوان در دستگاه جوجه‌کشی، تراریوم یا آکواریوم استفاده نمود.
انتهای دیگر سیم‌های بلند به سر باتری و مقاومت وصل است. توجه کنید رنگ‌بندی سیمها کمک میکند تا در مورد صحت سیم‌کشی اطمینان حاصل کنیم. در تصویر زیر، سیم قرمز سرباتری به سفید- قهوه‌ای و سیم سیاه سرباتری به سیم قهوه‌ای لحیم شده است. سیم قهوه‌ای حول یک سر مقاومت و سیم آبی حول سر دیگر مقاومت پیچانده شده‌است. اگر بخواهید می‌توانید این سیمها را لحیم نمایید.
در تصویر زیر، به خوبی می‌بینید که چگونه هیت‌شیرینک میتواند حسگر دما را محافظت نموده و استفاده از آن را راحت نماید. تنها بخش بالایی حسگر از هیت‌شیرینک بیرون آمده‌است.
سرهای سوسماری به مقاومت وصل شده و سرهای دیگر سیم‌سوسماری (همانندشکل زیر) به مولتی‌متر وصل میشود.
بدین ترتیب دما سنج کامل شده و آماده‌ی اندازه گیری دما است.
معرفی ترمیستور ها
ترمیستور از مواد نیمه هادی ساخته می شود. ترمیستور از 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 سانتیگراد می باشد. در بیشتر مصارف مقاومت آن در دمای 25 درجه سانتیگراد( در RTD مقاومت آن نسبت به صفر درجه محاسبه می شد
در ترمیستورها نسبت به 25 درجه سانتیگراد محاسبه می شود.) بین 100 تا 100کیلو اهم می باشد. البته ترمیستورهایی با مقاومت اولیه پایین تر از 10اهم و بالاتر از 40مگا اهم نیز استفاده می شود.
ترمیستورها به دو نوع تقسیم می شوند(Negative Temperature Coefficient NTC که با افزایش دما مقاومت آن کاهش می یابد و(Positive Temperature Coefficient) PTC که با افزایش دما مقاومت آن کاهش می یابد.
ترمیستور نوع NTC حساسیت 3- % تا 6- دارد که در مقایسه با RTD خیلی بالاتر است که باعث گشته 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 کرده است و این محدودیتی برای ترمیستور است.
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.
مدار بهسازی
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 دیگر استفاده از مدار تقسیم ولتاژ است.که به دلیل مقاومت زیاد ترمیستور راه حل مناسبی می باشد.
روش دیگر استفاده از مدار زیر است.میکروکنترلر PIC12C508 که توضیح داده می شود.
روش دیگر استفاده از مدار پایین است که روشی مشابه تقسیم ولتاژ می باشد. در این روش OP. Amp 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.
روش دیگر استفاده از مداری با IC ، AD7705 می باشد.
ترمیستورها نیمه هادی هستند که دارای ضریب حرارتی مقاومت الکتریکی بسیار زیاد و منفی می باشند. ضریب حرارتی این مقاومتها با افزایش دما کم شده و با انرژی فعال کننده ذرات نیمه هادی متناسب است.
لغت نیمه هادی را ممکن است برخی اشتباها به اجسامی مانند دیودها که عمل یکسوسازی انجام می دهند اختصاص دهند، در حالی که یک دیود یکسو کننده تشکیل شده است از دو جسم نیمه هادی با نوع ناخالصی متفاوت که با یکدیگر در تماس هستند. اما نیمه هادی ها در واقع اجسامی هستند که مقاومت الکتریکی آنها نه به اندازه هادی ها کم و نه به اندازه عایق ها زیاد باشد. مقاومت الکتریکی در عایق ها بیشتر از 8^10 اهم بر سانتی متر و در هادیهای جامد بین پ3-^10 و 6-^10 اهم بر سانتی متر است، در صورتی که در نیمه هادی ها شامل محدوده وسیعی از6-^10 تا پ5^10 اهم بر سانتی متر است. (اهم بر سانتی متر مقدار مقاومتی است که یک مکعب مستطیل به طول یک متر و سطح مقطع یک سانتی متر دارا می باشد.)پ
با این وصف اکسید فلزات زیادی را می توان برای ساختن ترمیستور مورد استفاده قرار داد مانند:
Fe2O3-Mn3O4و ZnO - MgO - CuO
و همچنین سولفیدهایی مانند Ag2S نیز برای این کار استفاده می شوند.
ترمیستورها را به اشکال متفاوتی مانند میله ای، عدسی، دانه ای و غیره با روشهای سرامیک سازی می سازند.
هدایت الکتریکی در ترمیستوها نه تنها به شکل و ابعاد هندسی آنها بلکه به روش تولید و اندازه بلورهای سازنده آن نیز بستگی دارد. یعنی فشار پرس و دمای کوره در تعیین مقاومت الکتریکی آن موثرند.
مقاومت و ضریب حرارتی را در ترمیستورها می توان تا حدود بسیار زیادی با استفاده از مخلوط اکسیدهای مختلف تغییر داد. ضریب این تغییرات ممکن است تا یک میلیون نیز برسد. ضریب حرارتی زیاد یک ترمیستور آنرا برای استفاده در اندازه گیری دما مناسب می کند.
در اینجا دو نوع ترمیستور تجارتی MMT-1 و MMT-4را مورد مقایسه قرار می دهیم
پ MMT-1 برای استفاده در محیط های بسته و خشک مناسب است در حالی که MMT-4 می تواند در محیط های مرطوب و حتی درون مایعات مورد استفاده قرار گیرد. مقاومت اسمی آنها بین 1000 تا 200000 اهم در دمای 20 درجه سانتی گراد و ضریب حرارتی مقاومت آنها در همین دما معادل 0.03 بر درجه سانتی گراد است. همچنین دمای مناسب جهت استفاده از آنها بین 100- تا 120+ درجه سانتی گراد می باشد. این ترمیستورها دارای ثبات هنگام بهره برداری و همچنین پایداری در برابر تکان و لرزش هستند و از استحکام خوبی نیز برخوردارند. زمان عکس العمل آنها در مقایسه با یک دماسنج جیوه ای در جدول زیر نشان داده شده است.
این زمان عبارتست از مدتی که طول می کشد تا مقاومت ترمیستور 63% کم شود اگر آنرا از دمای اولیه صفر درجه به محیطی با دمای 100 درجه سانتی گراد وارد کنیم. در ستون اول جدول محیط مذکور هوا و در ستون دوم آب می باشد. جرم ناچیز این ترمیستور ها باعث کوتاهی زمان عکس العمل در آنها می باشد.
علاوه بر موارد استفاده ترمیستورها در اندازه گیری و کنترل دما می توان آنها را در موارد بسیاری به عنوان ثابت نگهدارنده ولتاژ محدود کننده جریان اندازه گیری سرعت انتقال حرارت در مایعات رئوستای بدون تماس (بی حرکت) و نظایر آها مورد استفاده قرار دارد.
پیشرفتها در اندازه گیری دما به روش IR (Infra-Red)
سالهاست که صاحبان صنایع از تکنولوژی IR برای اندازه گیری و کنترل دما با موفقیت استفاده می کنند. اگرچه این تکنولوژی فواید اثبات شده ی بسیاری دارد؛ اما تولید کنندگان تجهیزات ابزار دقیق در جهت بهبود دقت، قابلیت اطمینان، و بکارگیری آسان این تجهیزات مطابق با نیاز محیطهای تولیدی ، توسعه تولیدات جدید را ادامه می دهند.
توسعه نقش IR
برای کارخانه داران، دما نمایشگر بحران شرایط یک فرآیند، محصول، یا بخشی از ماشین آلات است. نظارت دقیق دما کیفیت محصول را بهبود می بخشد و بهره وری را بالا می برد. زمانهای توقف تولید بدلیل اینکه فرآیند تولید بدون وقفه و تحت شرایط بهینه می تواند پیش رود کاهش می یابد. کارخانجات تولیدی و محیطهای صنعتی از ترمومترهای IR برای اندازه گیری دقیق دما در رنج وسیعی از کاربردهای اتوماسیون بهره می برند. این وسایل می توانند بدون دخالت فیزیکی در محصول یا هدف دیگری دما را اندازه بگیرند. این توانایی بر پایه قانون پلانک در تابش جسم سیاه است، که می گوید هر شیء انرژی تابشی را منتشر میکند که شدت آن تابعی از دمای شیء است. سنسور بطور ساده شدت تشعشع را اندازه می گیرد و به سبب آن دمای شیء اندازه گیری می شود (شکل یک).
شکل یک – مشخصات طیفی تابش جسم سیاه blackbody radiation
تکنولوژی IR پدیده جدیدی نیست ولی ابداعات جدید باعث کاهش هزینه ها، افزایش قابلیت اطمینان و توانایی اندازه گیری با وضوح بیشتر در آن شده است. همه این عوامل اندازه گیری دما بکمک IR را بسمت کاربردهای جدید سوق داده است.
ملاحظات عملی
اگرچه اندازه گیری دما بروش IR فوائد زیادی در عملیات صنعتی بهمراه دارد، اما باید خصایص ذاتی این تکنولوژی را وقتی در دنیای واقعی بکارمی رود، درک کرد. مثلاً میزان IR اهداف تحت اندازه گیری باید بصورت نوری برای سنسور قابل رویت باشد. موانعی مانند یک دیواره ی فلزی یک مخزن بسته باعث می شوند که اندازه گیری دما درون مخزن بصورت محلی و نه IR صورت پذیرد. بعلاوه، نور یک سنسور IR باید از ذرات بسیار ریز و مایعات غلیظ محافظت شود.
لذا چندین عامل مهم را هنگام اندازه گیری دمای بصورت IR باید درنظر داشت. بعضی از مهمترین این عوامل بشرح زیر می باشند.
تفکیک نوری: سیستم نوری یک ترمومتر IR انرژی منتشر شده ی IR را از نقطه اندازه گیری بصورت حلقه های هم مرکز جمع می کند. هدف مورد نظر باید کاملاً این نقطه را بپوشاند در غیر اینصورت سنسور سایر تشعشعات حرارتی زمینه را " می بیند" و مقدار نادرستی را اندازه می گیرد. تفکیک نوری ترمومترهای IR با نسبت D:S مشخص می شود، که با مقایسه ی فاصله ی شیء هدف تا سنسور (D) نسبت به اندازه (قطر) نقطه تحت اندازه گیری روی هدف، تعیین میگردد. مقادیر بزرگتر این نسبت نشانه رزولوشن یا قدرت تفکیک نوری بهتر سنسور و در نتیجه کوچکترشدن نقطه ی هدف است که می توان دمای آنرا از فاصله دورتری اندازه گیری کرد (شکل دو). بعنوان مثال نقطه ای یک اینچی روی یک هدف اندازه گیری شده در فاصله ی 10 اینچی نسبت D:S مساوی 10:1 دارد.
شکل دو – تفکیک نوری ترمومترهای IR که با نسبت D:S معین شده است
سنسورهای IR در فروشگاهها امروزه دارای نسبت D:S از 2:1 (رزولوشن کم) تا بیش از 300:1 (رزولوشن زیاد) می باشند. هر چقدر میزان رزولوشن سنسور بیشتر شود بالطبع قیمت آن نیز بالاتر خواهد رفت.
در بعضی از مراکز صنعتی، بخار، غبار، و دود باعث بلوکه کردن مسیر دوربینهای نوری IR شده و مانع از اندازه گیری دقیق IR می شوند. نویز، میدانهای مغناطیسی، یا ارتعاش نیز بر کارآیی سنسور تاثیر نامطلوب می گذارند.
منبع:http://mogeb.blogfa.com
