راهنمای جامع سنسورهای حرارت | معرفی، انواع و کاربردها

کیوان رستم‌پور – سنسورهای حرارت ابزارهای کلیدی هستند که برای اندازه‌گیری و کنترل دما در صنایع مختلف به کار می‌روند. سنسورهای مقاومتی مانند RTD و ترمیستر و سنسورهای الکترونیکی پیشرفته هر یک ویژگی‌ها، مزایا و معایب خاص خود را دارند.

در این مقاله، به معرفی انواع سنسورهای حرارت، نحوه عملکرد، و نقاط قوت و ضعف آن‌ها می‌پردازیم تا به شما کمک کنیم بهترین سنسور را برای نیازهای خاص خود انتخاب کنید.

عملکرد سنسور RTD (Resistance Temperature Detector)

سنسورهای RTD از مقاومت فلزات برای اندازه‌گیری دما استفاده می‌کنند. این نوع سنسورها بر اساس تغییرات مقاومت فلز در اثر حرارت کار می‌کنند؛ با افزایش دما، مقاومت فلزات نیز تغییر می‌کند و این تغییرات به‌عنوان معیار اندازه‌گیری دما استفاده می‌شوند.

مقاومت فلزات بر اثر حرارت تغییر می‌کند و این تغییر بر اثر تغییرات حرارت را به نمایش می‌گذارد. برای اندازه‌گیری حرارت، باید طول سیم فلزی را افزایش داد تا مقاومت فلز بالا برود و خطای سیستم کاهش یابد.

به‌عنوان مثال پلاتینیوم عنصری است که می‌تواند در بازه حرارتی 182.96 تا 630.74 درجه سانتی‌گراد کار کند و ضریب RTD مثبت دارد. تغییرات مقاومتی مس با حرارت خطی است و ضریب RTD آن کم است، ولی برای اندازه‌گیری حرارت با مس، طول سیم باید زیاد باشد. در عمل، RTDها از آلیاژ نیکل به‌علاوه پلاتینیوم ساخته می‌شوند. رنج مقاومتی و ضریب حرارتی RTD برای پلاتینیوم بدین صورت است:

R = 10Ω -10KΩ

تغییرات مقاومت با دما به‌صورت غیرخطی است.

بیشتر بخوانید:

• چگونگی کنترل بار فیزیکی در آسانسور، انواع سنسور کنترل وزن
• تاثیر هوش مصنوعی بر بازار آسانسور و پله برقی در هند

مزایا و معایب سنسور RTD

سنسور RTD که یکی از سنسورهای حرارتی است، دارای مزایا و معایب زیر است.

مزایا:
پایداری مناسب
دقت بیشتر نسبت به ترموکوپل
معایب:
هزینه بالا
نیاز به منبع جریان
تغییرات کم مقاومت
تولید حرارت در حین عملکرد به‌عنوان سنسور دما

ترمیستر (Thermistor)

ترمیستر (Thermistor) مانند RTD یک مقاومت حساس به حرارت است که در ساختار خود از نیمه‌هادی استفاده می‌کند. این نوع سنسور به دلیل حساسیت بالای خود به حرارت، با افزایش دما، کاهش قابل توجهی در مقاومت از خود نشان می‌دهد.

این تغییرات مقاومت به ویژگی‌های خاص نیمه‌هادی‌ها بازمی‌گردد که با افزایش دما، تعداد حامل‌های بار الکتریکی در آن‌ها بیشتر می‌شود و در نتیجه، جریان افزایش و مقاومت کاهش می‌یابد.

در نیمه‌هادی‌ها با افزایش دما، تعداد حامل‌های بیشتری در جریان شرکت می‌کنند، بنابراین جریان بیشتر و مقاومت کمتر می‌شود. در ترمیستر ضریب حرارتی منفی است و کاهش مقاومت با حرارت، رابطه به‌شدت غیرخطی دارد. بسته به نوع نیمه‌هادی، از ترمیستر در محدوده دمایی حدود 50- سانتی‌گراد استفاده می‌کنند. یک رابطه تجربی برای اندازه‌گیری حرارت به‌صورت زیر وجود دارد که A و B و C مقادیر ثابت هستند.

ساختمان سنسورهای درجه حرارت مقاومتی

چنین سنسورهایی از وابستگی درجه حرارتی انتقال حامل استفاده می‌کنند. روش محاسبه مقاومت ویژه یک نیمه‌هادی با استفاده از روش «تک‌پروبی»، اصطلاح «مقاومت توزیعی» محاسبه می‌شود. مقاومت R را با یک پروب به قطر d طبق رابطه زیر اندازه‌گیری می‌کنند:

که در آن ρ مقاومت ویژه ماده زمینه است.

نوع دوم دیگری وجود دارد که با اطمینان بیشتر و با سطوح قابل تحمل پایین‌تر تولید می‌شوند. n-si به‌طور عمده در کاربردهای تکنیکی به کار برده می‌شود. ساختمان متقارن آن که از دو مقاومت استفاده می‌کند، از هرگونه وابستگی پلاریته جلوگیری می‌کند که از سطوح اتصالات مختلف مربوط به اتصالات جلو و عقب نتیجه می‌شود.

سنسورهای مقاومت صفحه‌ای نیز معمولا قادرند از وابستگی حرارتی انتقال حامل استفاده کنند. این نوع سنسور می‌تواند با استفاده از سیلیکان چندگانه ساخته شود. تنظیم انتخابی ضریب حرارتی در طی محدوده وسیعی از مقادیر مثبت و منفی، می‌تواند با تغییردادن روش رسوب‌دهی یا پارامترهای باز کریستال‌سازی‌شده لایه‌های سیلیکانی تک‌کریستال میسر شود. محدوده حرارت می‌تواند به سمت مقادیر بیشتر از 200 سانتی‌گراد با رسوب‌دادن مواد سنسور فعال روی یک زمینه عایق توسعه داده شود.

مزایا و معایب ترمیستر

سنسور ترمیستر دارای مزایا و معایب زیر است.

مزایا:

• خروجی بالا؛
• سریع؛
• نیاز به مقدار مقاومت دارد.

معایب:

• غیرخطی؛
• محدوده دمایی کم؛
• منبع جریان لازم دارد.

کلام پایانی

سنسورهای حرارت، مانند RTD و ترمیستر، نقش مهمی در اندازه‌گیری و کنترل دما در صنایع مختلف ایفا می‌کنند. سنسورهای RTD به‌دلیل دقت و پایداری بالا در بازه‌های دمایی گسترده، برای کاربردهای صنعتی و فرآیندهای حساس مناسب هستند، اما هزینه و نیاز به منبع جریان از محدودیت‌های آنهاست.

در مقابل، ترمیسترها با حساسیت بالا و سرعت پاسخ‌دهی سریع، برای کاربردهای خاصی چون تجهیزات پزشکی و سیستم‌های تهویه مطبوع مناسب‌اند، اما محدوده دمایی محدود و رفتار غیرخطی دارند.