تئوری طراحی و استفاده از سنسورهای دما را مورد بررسی قرار می دهیم. اندازه گیری دما در بسیاری از پروسه های مهم و قابل اهمیت می باشد و می تواند در طول عمر ماشین ها و اجزاء آنها تاثیرگذار باشد. سه هدف اصلی استفاده از یک سنسور عبارت است از :
1. کنترل
2. ایمنی
3. تنظیمات
اندازه گیری با یک کنترولر می تواند تنظیمات مختلف یک پروسه از قبیل برودت و بهینه کردن موتور، گرم کردن و جلوگیری از خرابی بولبورینگ ها و بسیاری از موارد دیگر را انجام دهد. دما یکی از معمول ترین این پارامترها است که می تواند نشانگر نبود راندمان در سیستم و خوردگی قطعات باشد.
شرکت دانفوس از سه نوع متفاوت المنت سنسور استفاده می کند که به تشریح هر یک خواهیم پرداخت. مدل اول، مدل RTD است که دارای منحنی خروجی همگون شده است. مدل دوم، مدل ترمیستور(Thermistor) که NTC یا PTC است که انتخاب بهینه ای برای او ام ای ها می باشد و بالاخره مدل سوم که مدل ترموکوپل یا TC است. ترموکوپل، تکنولوژی است که دارای تواناییهای دمای بالا است که بیشتر از دیگر مدلها می باشد.
تصوریر1: سنسور دما مدل RTD
مدل RTD از یک لایه نازک پلاتینیوم با ضخامت یک میکرومتر تشکیل شده که بر روی یک صفحه سرامیکی اسپری شده است. این لایه بوسیله لیزر یا پروسه لیتوگرافیک شکل داده شده و سپس کالیبره می شود. این المنت دارای 10 تا 15 میکرومتر ضخامت است این المنت فیلم نازک RTD معمولی ترین سنسور است که توسط دانفوس استفاده می شود.
سنسورهای RTD دارای کیفیت های گوناگون هستند آنها دارای منحنی خروجی خطی در رنج دمایی گسترده می باشند و تقریبا تحت استاندارد بین المللی که منحنی خروجی را باربینی می کنند برای کاربردهای سنگین استاندارد شده اند.
تصویر2: سنسور دما مدل NTC / PTC
سنسورهای RTSدارای سطح مقاومت بالا در دماهای مشخص هستند که باعث تولید سیگنال قوی نسبت به تکنولوژیهای دیگر مانند ترموکوپل می شوند. سنسورهای RTD نسبت به بقیه دارای دو نقطه ضعف هستند: 1. گران تر هستند نسبت به ترمیستورها و 2. رزولوشن آنها در دماهای مشخص کمتر است که این امر باعث می شود که منحنی خروجی با شیب کم باشد.
کلمه NTC که رابطه بین مقاومت خارجی و افزایش دما برای این نوع از ترمیستور است. سیگنال خروجی به اهم زمانیکه دما افزایش می یابد در سنسور NTC کاهش می یابد. رنج دما معمولا تا 150 درجه سلسیوس و در مدل های ویژه تا 300 درجه سلسیوس است. این سنسورها دارای ویژگی های خروجی های متفاوت هستند که استاندارد سازی نشده اند.
یک سنسور NTC برای مقدار خروجی در دمای 25 درجه سانتیگرداد تعریف می شود برای مثال سنسور NTC ده هزار دارای مقاومت 10000 اهم در دمای 25 درجه سانتیگراد است. تلورانس آن وسیع تر از RTD است. سنسور NTC خیلی معمول تر از سنسور PTC است. سنسور PTC که معمولا رابطه بین مقاومت و خروجی و افزایش دما برای این ترمیستور است.
سیگنال خروجی وقتی دما افزایش می یابد شروع به زیاد شدن می کند. سنسورهای PTC تنها در دمای 150 درجه سلسیوس وجود دارند و طراحی آنها دارای امتیازات کمتری نسبت به NTC است. هیچ کدام از این سنسورهای برای کاربرد های نرمال صنعتی استاندارد نشده اند. مانند NTC مقدار اسمی PTC در دمای 25 درجه سانتیگراد شرح داده می شود.
تلورانس های PTC معمولا وسیع تر از RTD هستند و NTC دارای هزینه کمتر نسبت به RTD می باشد برای همین آنها را برای کاربردهای او ای ام جذاب کرده است. ترمیستورها خیلی کوچک هستند برای همین برای خطاهای دمایی مناسب شده اند. ضعف سنسورهای PTC ساختار مکانیکی ضعیف آنها است.
ترموکوپل قدیمی ترین تکنولوژی است که توسط توماس یوهانس در سال 1822 کشف گردید و اولین بار در سال 1862 برای اندازه گیری دما استفاده شد. ترموکوپل از دو فلز غیرهمنام تشکیل شده است. در دماهای مشخص ولتاژ مشخصی را عبور می دهند.
ترموکوپل ها سنسورهای دمایی قوی هستند که می توان از آنها در دماهای خیلی بالا استفاده نمود. آنها دارای قیمت پایین تر بوده و نیز دارای قابلیت اطمینان بالاتری می باشند. زمانیکه از آنها استفاده می کنیم باید بدانیم که رطوبت دشمن شماره یک ترموکوپل است از اینرو محافظت از سنسور در برابر رطوبت در حین ساخت و کاربرد دارای اهمیت می باشد. زیرا در صورت ورود رطوبت اتصال کوتاه می تواند اندازه گیری ترموکوپل را دچار اختلال نماید.
ترموکوپل ها نیاز به کابل ویژه برای نصب دارند. بطور طبیعی سیگنال تروموکوپل ها دارای اختلاف با مقدار اندازه گیری شده است. استفاده از سیم مسی طبیعی باعث اختلال می شود زیرا سبب بوجود آمدن ترموکوپل جدید در محل اتصال سیم مسی و سیم ترموکوپل می شود. برای اجتناب از این امر بایستی از کابلی استفاده کرد که از جنس ترموکوپل یا مشابه آن باشد.
تصویر3: سنسور دما مدل TC
