نویسنده: نیما راد
فهرست مطالب
- سنسور دما چیست؟
- اجزای اصلی سنسور دما
- انواع سنسور دما
- انواع شکل ظاهری سنسورهای دما
- ترموول چیست؟
- کاربرد سنسور دما در تابلو برق و دستگاه CNC
- نکات مهم در انتخاب و نصب سنسور دما
- اشتباهات رایج در استفاده از سنسور دما
- برندهای معتبر سنسور دما
- جمعبندی
سنسور دما چیست؟
سنسور دما (Temperature Sensor) تجهیزی است که میزان دمای یک جسم، سیال، محیط یا دستگاه را اندازهگیری کرده و آن را به یک سیگنال قابلاستفاده برای سیستمهای نمایش، کنترل یا اتوماسیون تبدیل میکند.
خروجی سنسور دما میتواند یکی از موارد زیر باشد:
- تغییر مقاومت الکتریکی
- تغییر ولتاژ
- سیگنال آنالوگ مانند ۰ تا ۱۰ ولت
- سیگنال جریان مانند ۴ تا ۲۰ میلیآمپر
- سیگنال دیجیتال
- ارتباط صنعتی مانند RS-485، Modbus RTU، IO-Link یا Ethernet
این تجهیزات در صنایع مختلف برای کنترل فرایند، حفاظت تجهیزات، افزایش کیفیت تولید، جلوگیری از گرمشدن بیش از حد و کاهش مصرف انرژی استفاده میشوند.
اجزای اصلی سنسور دما
ساختار سنسور دما با توجه به نوع آن متفاوت است، اما اغلب مدلهای صنعتی از بخشهای زیر تشکیل میشوند:
۱. عنصر حساس به دما
مهمترین بخش سنسور دما است و مستقیماً تغییرات دما را تشخیص میدهد. این عنصر میتواند از نوع زیر باشد:
- ترموکوپل
- مقاومت پلاتینی
- ترمیستور
- نیمههادی
- آشکارساز مادون قرمز
۲. غلاف محافظ
در سنسورهای صنعتی، عنصر حساس داخل یک غلاف فلزی قرار میگیرد. این غلاف از عنصر حساس در برابر موارد زیر محافظت میکند:
- رطوبت
- فشار
- ضربه
- مواد شیمیایی
- خوردگی
- سایش
- دمای بسیار بالا
غلاف سنسور معمولاً از استیل ضدزنگ، Inconel، سرامیک یا آلیاژهای مقاوم به حرارت ساخته میشود.
۳. کابل یا ترمینال اتصال
سیگنال از طریق کابل، کانکتور یا ترمینال به کنترلر منتقل میشود. در دماهای بالا باید از کابلهای مقاوم به حرارت، فایبرگلاس، تفلون یا شیلددار استفاده شود.
۴. ترانسمیتر دما
در بعضی از سنسورها، یک Temperature Transmitter سیگنال خام را به سیگنال صنعتی استاندارد مانند 4-20mA یا 0-10V تبدیل میکند.
سنسور دما چگونه کار میکند؟
هر نوع سنسور دما بر اساس یک پدیده فیزیکی مشخص کار میکند. برای مثال:
- در RTD مقاومت فلز با افزایش دما بیشتر میشود.
- در Thermistor مقاومت نیمههادی با دما تغییر میکند.
- در Thermocouple اختلاف دمای دو اتصال فلزی باعث تولید ولتاژ میشود.
- در سنسورهای Infrared انرژی حرارتی تابششده از سطح جسم اندازهگیری میشود.
- در سنسورهای نیمههادی، تغییرات مشخصات الکتریکی تراشه برای محاسبه دما استفاده میشود.
سیگنال تولیدشده توسط کنترلر، PLC، ترموستات یا نمایشگر دما دریافت شده و برای کنترل تجهیزاتی مانند فن، هیتر، چیلر، شیر برقی یا سیستم هشدار استفاده میشود.
انواع سنسور دما
۱. ترموکوپل
Thermocouple از اتصال دو فلز متفاوت تشکیل شده است. هنگامی که دمای محل اتصال تغییر میکند، ولتاژ بسیار کوچکی در حد میلیولت ایجاد میشود.
انواع رایج ترموکوپل
- Type K
- Type J
- Type T
- Type E
- Type N
- Type R
- Type S
- Type B
ترموکوپل نوع K
ترموکوپل Type K یکی از پرکاربردترین مدلها در صنعت است و معمولاً برای اندازهگیری دماهای متوسط تا بالا استفاده میشود.
مزایا:
- محدوده دمایی گسترده
- سرعت پاسخ مناسب
- قیمت اقتصادی
- مقاومت مکانیکی خوب
- امکان استفاده در دماهای بسیار بالا
معایب:
- دقت کمتر نسبت به RTD
- تولید سیگنال بسیار ضعیف
- نیاز به جبران اتصال سرد
- حساسیت به نویز الکتریکی
- نیاز به کابل مخصوص همان نوع ترموکوپل
کاربردها:
- کورههای صنعتی
- دستگاههای تزریق پلاستیک
- اکسترودرها
- هیترها
- دیگهای بخار
- صنایع فولاد و ریختهگری
- تجهیزات حرارتی
ترموکوپل از اتصال دو فلز غیرهمجنس تشکیل شده است. اختلاف دمای میان اتصال گرم و اتصال مرجع باعث تولید ولتاژ بسیار کوچکی در حد میلیولت میشود که توسط کنترلر یا نمایشگر به مقدار دما تبدیل میگردد.
۲. سنسور دمای RTD
RTD مخفف Resistance Temperature Detector است. این سنسور دما با استفاده از تغییر مقاومت فلز در اثر تغییر دما کار میکند.
متداولترین RTD صنعتی، سنسور Pt100 است. عبارت Pt نشاندهنده پلاتین و عدد 100 نشاندهنده مقاومت سنسور در دمای صفر درجه سانتیگراد است.
مقاومت Pt100 در دمای صفر درجه تقریباً برابر است با: 100 Ω
مدلهای متداول RTD عبارتاند از:
- Pt100
- Pt500
- Pt1000
- Ni100
- Cu50
روشهای اتصال Pt100
سنسور Pt100 به سه روش سیمبندی میشود:
اتصال دو سیمه سادهترین روش است، اما مقاومت کابل به مقدار اندازهگیری اضافه شده و باعث خطا میشود.
اتصال سه سیمه متداولترین روش صنعتی است. در این روش، کنترلر تا حد زیادی مقاومت سیمها را جبران میکند.
اتصال چهار سیمه دقیقترین روش اندازهگیری است و بیشتر در آزمایشگاهها و تجهیزات کالیبراسیون استفاده میشود.
مزایا:
- دقت بالا
- پایداری مناسب
- تکرارپذیری خوب
- خطی بودن بهتر نسبت به ترموکوپل
- مناسب برای اندازهگیریهای دقیق صنعتی
معایب:
- قیمت بیشتر نسبت به ترموکوپل
- سرعت پاسخ کمتر در بعضی مدلها
- محدوده دمایی محدودتر از برخی ترموکوپلها
- حساسیت به ضربه و لرزش شدید
کاربردها:
- مخازن و خطوط لوله
- تجهیزات آزمایشگاهی
- ماشینآلات صنعتی
- سیستمهای کنترل دقیق دما
ساختار کامل سنسور Pt100 صنعتی شامل هد اتصال، سیمها، عایق، غلاف و عنصر پلاتینی است.
۳. ترمیستور
Thermistor نوعی مقاومت حساس به دما است که از مواد نیمههادی ساخته میشود.
ترمیستورها به دو گروه اصلی تقسیم میشوند:
NTC در مدل Negative Temperature Coefficient با افزایش دما، مقاومت کاهش پیدا میکند.
PTC در مدل Positive Temperature Coefficient با افزایش دما، مقاومت بیشتر میشود.
مزایا:
- حساسیت بالا
- قیمت مناسب
- ابعاد کوچک
- سرعت پاسخ زیاد
- مناسب برای مدارهای الکترونیکی
معایب:
- محدوده اندازهگیری محدود
- رفتار غیرخطی
- حساسیت به خودگرمایی
- مناسب نبودن برای دماهای بسیار بالا
کاربردها:
- منابع تغذیه
- بردهای الکترونیکی
- تجهیزات پزشکی
- لوازم خانگی
- پرینترهای سهبعدی
- کنترل دمای باتری
- حفاظت موتور و سیمپیچ
عملکرد دو نوع ترمیستور با یکدیگر متفاوت است: در NTC با افزایش دما، مقاومت کاهش پیدا میکند؛ اما در PTC با افزایش دما، مقاومت افزایش مییابد. این قطعات بیشتر در مدارهای الکترونیکی، حفاظت حرارتی و کنترل دما کاربرد دارند.
۴. سنسور دمای نیمههادی
سنسورهای نیمههادی یا IC Temperature Sensors بهصورت تراشه تولید میشوند و میتوانند خروجی آنالوگ یا دیجیتال داشته باشند.
نمونههای شناختهشده عبارتاند از:
- LM35
- TMP36
- DS18B20
- TMP117
- MAX31865
مزایا:
- ابعاد کوچک
- اتصال آسان به میکروکنترلر
- خروجی دیجیتال در بعضی مدلها
- قیمت مناسب
- امکان استفاده چند سنسور روی یک باس ارتباطی
معایب:
- محدوده دمایی محدود
- مناسب نبودن برای محیطهای بسیار خشن
- مقاومت مکانیکی کمتر نسبت به مدلهای صنعتی
- حساسیت به نویز و شرایط نصب
کاربردها:
- پروژههای الکترونیکی
- تجهیزات هوشمند
- سیستمهای اینترنت اشیا
- کنترل دمای تابلو برق
- سیستمهای کنترل خانگی
۵. سنسور دمای مادون قرمز
سنسور Infrared Temperature Sensor بدون تماس فیزیکی با جسم، دمای سطح آن را اندازهگیری میکند.
هر جسمی با دمای بالاتر از صفر مطلق، انرژی مادون قرمز منتشر میکند. سنسور با اندازهگیری این انرژی، دمای سطح را محاسبه میکند.
مزایا:
- اندازهگیری بدون تماس
- سرعت پاسخ بسیار بالا
- مناسب برای اجسام متحرک
- مناسب برای اجسام بسیار داغ
- عدم آلودگی محصول
معایب:
- اندازهگیری دمای سطح، نه دمای داخلی
- تأثیرپذیری از گردوغبار، بخار و دود
- وابستگی به ضریب گسیل سطح
- خطا در سطوح براق و انعکاسی
- قیمت بالاتر در مدلهای صنعتی
کاربردها:
- صنایع شیشه
- فولاد و ریختهگری
- خطوط تولید
- قطعات متحرک
- کورهها
- تجهیزات پزشکی
- کنترل دمای مواد غذایی
- بررسی دمای قطعات الکتریکی
در اندازهگیری بدون تماس، تابش مادون قرمز منتشرشده از سطح جسم توسط لنز دریافت و روی آشکارساز متمرکز میشود. سپس مدار پردازش، شدت تابش را به مقدار دما تبدیل کرده و روی نمایشگر نشان میدهد. این مدل، دمای سطح جسم را اندازهگیری میکند، نه دمای داخلی آن.
۶. سنسورهای بیمتال
سنسور Bimetal از اتصال دو فلز با ضریب انبساط متفاوت ساخته میشود. با تغییر دما، نوار بیمتال خم شده و یک کنتاکت الکتریکی را قطع یا وصل میکند.
این نوع بیشتر در ترموستاتها و تجهیزات حفاظتی استفاده میشود.
مزایا:
- ساختار ساده
- عدم نیاز به منبع تغذیه
- قیمت مناسب
- قابلیت قطع و وصل مستقیم
معایب:
- دقت پایینتر
- سرعت پاسخ کم
- هیسترزیس
- مناسب نبودن برای اندازهگیری دقیق
سنسور دمای تماسی و غیرتماسی
سنسورهای دما از نظر روش اندازهگیری به دو گروه تقسیم میشوند.
سنسور تماسی سنسور باید با جسم یا سیال در تماس باشد.
نمونهها:
- ترموکوپل
- Pt100
- ترمیستور
- سنسور نیمههادی
سنسور غیرتماسی سنسور از فاصله مشخص، تابش حرارتی سطح را اندازهگیری میکند.
نمونهها:
- سنسور مادون قرمز
- Pyrometer
- دوربین حرارتی
انواع شکل ظاهری سنسورهای دما
سنسور دما ممکن است در فرمهای مختلف تولید شود:
- سنسور میلهای
- سنسور رزوهای
- سنسور کابلی
- سنسور سطحی
- سنسور حلقهای
- سنسور تخت
- سنسور هددار
- سنسور فلنجی
- سنسور داخل کانال
- سنسور محیطی
- سنسور مخصوص لوله
- سنسور با غلاف محافظ
- سنسور به همراه ترموول
انتخاب فرم سنسور باید بر اساس محل نصب، سرعت پاسخ، فشار، نوع سیال و شرایط محیطی انجام شود.
ترموول چیست؟
Thermowell یک غلاف محافظ است که داخل مخزن یا لوله نصب میشود و سنسور دما داخل آن قرار میگیرد.
ترموول باعث میشود سنسور بدون توقف فرایند یا تخلیه مخزن قابل تعویض باشد.
مزایای ترموول
- محافظت سنسور در برابر فشار
- افزایش مقاومت مکانیکی
- جلوگیری از تماس مستقیم سنسور با مواد خورنده
- امکان تعویض سنسور هنگام فعال بودن خط تولید
- افزایش عمر مفید سنسور
استفاده از ترموول ممکن است سرعت پاسخ سنسور را کمی کاهش دهد.
خروجی سنسورهای دما
سنسور دما میتواند خروجیهای مختلفی داشته باشد:
خروجی مقاومتی مانند: Pt100، Pt1000، NTC، PTC
خروجی میلیولت مانند ترموکوپلها.
خروجی ولتاژ مانند: 0 تا 5 ولت، 0 تا 10 ولت، 1 تا 5 ولت
خروجی جریان خروجی 4 تا 20 میلیآمپر یکی از بهترین گزینهها برای محیطهای صنعتی و انتقال سیگنال در فاصله طولانی است.
خروجی دیجیتال مانند: RS-485، Modbus RTU، IO-Link، I²C، SPI، 1-Wire، Ethernet
کاربرد سنسور دما در تابلو برق و دستگاه CNC
در دستگاههای CNC، افزایش دمای بیش از حد میتواند باعث خرابی کنترلر، درایو، سرووموتور، اسپیندل و منبع تغذیه شود.
سنسور دما در این تجهیزات برای موارد زیر استفاده میشود:
- اندازهگیری دمای داخل تابلو برق
- کنترل فن و کولر تابلو
- حفاظت اسپیندل
- کنترل دمای موتور
- بررسی دمای درایوها
- کنترل دمای سیستم خنککاری
- حفاظت منبع تغذیه
- تشخیص گرفتگی فیلتر یا خرابی فن
- ایجاد آلارم دمای بالا
- توقف اضطراری دستگاه در شرایط خطرناک
برای تابلو برق معمولاً از ترموستات، Pt100، NTC یا سنسورهای دیجیتال استفاده میشود.
نکات مهم در انتخاب سنسور دما
۱. محدوده دمایی
ابتدا باید حداقل و حداکثر دمای فرایند مشخص شود. استفاده از سنسور دما خارج از محدوده مجاز باعث خطا یا خرابی آن میشود.
۲. دقت اندازهگیری
برای کاربردهای عمومی ممکن است خطای یک یا دو درجه قابلقبول باشد، اما در صنایع دارویی، غذایی و آزمایشگاهی به سنسورهای دقیقتر نیاز است.
۳. سرعت پاسخ
سنسورهایی با قطر کمتر و تماس مستقیم، پاسخ سریعتری دارند. افزایش ضخامت غلاف و استفاده از ترموول سرعت پاسخ را کاهش میدهد.
۴. نوع خروجی
خروجی سنسور دما باید با ورودی PLC، کنترلر یا نمایشگر سازگار باشد. برای مسیرهای طولانی، خروجی 4-20mA معمولاً انتخاب مطمئنتری است.
۵. شرایط محیطی
موارد زیر باید بررسی شوند:
- رطوبت
- لرزش
- فشار
- مواد خورنده
- وجود روغن یا آب
- گردوغبار
- میدانهای الکترومغناطیسی
- احتمال ضربه مکانیکی
۶. جنس غلاف
برای محیطهای عادی میتوان از استیل ضدزنگ استفاده کرد. در محیطهای خورنده یا دمای بسیار بالا باید از آلیاژهای مقاومتر استفاده شود.
۷. طول و قطر سنسور دما
طول سنسور دما باید بهاندازهای باشد که قسمت حساس آن بهدرستی داخل محیط اندازهگیری قرار گیرد.
قطر کمتر باعث پاسخ سریعتر و قطر بیشتر باعث مقاومت مکانیکی بالاتر میشود.
۸. نوع نصب
نوع اتصال میتواند یکی از موارد زیر باشد:
- رزوهای
- فلنجی
- فشاری
- سطحی
- مغناطیسی
- چسبی
- جوشی
- نصب داخل ترموول
۹. کلاس حفاظتی
برای محیطهای مرطوب یا صنعتی، درجه حفاظتی مناسب مانند IP65، IP67 یا IP68 انتخاب شود.
نکات مهم نصب سنسور دما
- قسمت حساس سنسور دما باید کاملاً در محیط اندازهگیری قرار گیرد؛
- سنسور دما نباید در نقطه مرده جریان نصب شود؛
- در خطوط سیال، محل نصب باید نماینده دمای واقعی فرایند باشد؛
- کابل سنسور دما از کابل موتور، اینورتر و برق قدرت فاصله داشته باشد؛
- برای ترموکوپل از کابل جبرانساز مناسب همان Type استفاده شود؛
- کابل شیلددار فقط طبق دستورالعمل سازنده زمین شود؛
- از خمکردن شدید قسمت حساس سنسور خودداری شود؛
- در محیطهای پرفشار از ترموول استاندارد استفاده شود؛
- طول زیاد کابل Pt100 دو سیمه میتواند خطای قابلتوجهی ایجاد کند؛
- در محیطهای دارای لرزش، از سنسور و کانکتور مقاوم استفاده شود؛
- سنسور دما نباید مستقیماً در معرض شعله قرار گیرد، مگر اینکه برای این کاربرد طراحی شده باشد.
اشتباهات رایج در استفاده از سنسور دما
انتخاب محدوده نامناسب نصب یک سنسور دمای معمولی در محیط بسیار داغ باعث کاهش عمر و ایجاد خطا میشود.
استفاده از کابل اشتباه برای ترموکوپل استفاده از سیم مسی معمولی بهجای کابل مخصوص ترموکوپل میتواند باعث خطای اندازهگیری شود.
بیتوجهی به جبران اتصال سرد کنترلر ترموکوپل باید قابلیت Cold Junction Compensation داشته باشد.
استفاده از Pt100 دو سیمه در فاصله طولانی مقاومت کابل باعث افزایش مقدار دمای نمایشدادهشده میشود.
نصب سنسور در محل نامناسب نصب نزدیک هیتر، فن، ورودی هوای سرد یا دیواره مخزن ممکن است دمای واقعی فرایند را نشان ندهد.
عدم توجه به ضریب گسیل در سنسورهای مادون قرمز، تنظیم نادرست Emissivity باعث ایجاد خطای زیاد میشود.
اتصال غیراستاندارد شیلد اتصال شیلد از دو طرف میتواند حلقه زمین و نویز ایجاد کند.
انتخاب غلاف بسیار ضخیم غلاف ضخیم مقاومت مکانیکی را افزایش میدهد، اما پاسخ سنسور را کندتر میکند.
کالیبراسیون سنسور دما
کالیبراسیون برای اطمینان از صحت اندازهگیری انجام میشود. در این فرایند مقدار سنسور دما با یک مرجع معتبر مقایسه میشود.
تجهیزات کالیبراسیون ممکن است شامل موارد زیر باشد:
- Dry Block Calibrator
- حمام دمایی
- ترمومتر مرجع
- شبیهساز RTD
- شبیهساز ترموکوپل
- کالیبراتور چندمنظوره
فاصله زمانی کالیبراسیون به حساسیت فرایند، شرایط کاری و استانداردهای مجموعه بستگی دارد.
برندهای معتبر سنسور دما
برخی از برندهای شناختهشده در حوزه اندازهگیری دما عبارتاند از:
WIKA دارای محصولات صنعتی متنوع، کیفیت مناسب و مدلهای مقاوم برای فرایندهای صنعتی.
Endress+Hauser مناسب صنایع فرایندی، نفت، گاز، شیمیایی، غذایی و دارویی.
JUMO متخصص در تجهیزات اندازهگیری و کنترل دما، شامل سنسور، ترموستات و کنترلر.
OMEGA Engineering دارای تنوع بسیار زیاد در ترموکوپل، RTD، سنسور مادون قرمز و تجهیزات آزمایشگاهی.
ifm electronic مناسب اتوماسیون صنعتی، ماشینسازی و سیستمهای مجهز به IO-Link.
Siemens دارای سنسورها و ترانسمیترهای مناسب سیستمهای کنترل صنعتی و PLC.
ABB مناسب صنایع نفت، گاز، پتروشیمی و فرایندهای سنگین.
Autonics محصولات اقتصادی و کاربردی برای ماشینآلات و تابلوهای صنعتی.
Omron مناسب اتوماسیون، کنترل دما، ماشینسازی و تجهیزات الکترونیکی.
KEYENCE دارای سنسورهای دقیق، سریع و پیشرفته، بهخصوص در سیستمهای غیرتماسی و خطوط تولید.
جمعبندی
سنسور دما یکی از مهمترین تجهیزات اندازهگیری و حفاظتی در سیستمهای صنعتی، ماشینآلات، تابلوهای برق و دستگاههای CNC است. انتخاب نوع مناسب سنسور دما باید بر اساس محدوده دما، دقت، سرعت پاسخ، شرایط محیطی، نوع خروجی و محل نصب انجام شود.
برای دماهای بالا و محیطهای صنعتی خشن، معمولاً ترموکوپل انتخاب مناسبی است. برای اندازهگیری دقیق و پایدار، سنسورهای Pt100 و RTD گزینه بهتری هستند. ترمیستورها و سنسورهای نیمههادی بیشتر در تجهیزات الکترونیکی و محدودههای دمایی محدود کاربرد دارند. برای اجسام متحرک، بسیار داغ یا غیرقابلدسترس نیز استفاده از سنسورهای مادون قرمز توصیه میشود.
نصب صحیح، کابلکشی استاندارد، انتخاب غلاف مناسب و کالیبراسیون دورهای، تأثیر مستقیمی بر دقت، پایداری و عمر مفید سنسور دما دارد.
