انواع سنسور حرارتی : راهنمای کامل + جدول مقایسه

در دنیای صنعتی و حتی در زندگی روزمره ما، دما یکی از حیاتی‌ترین پارامترهایی است که دائماً با آن سروکار داریم. از پخت‌وپز ساده در آشپزخانه گرفته تا فرآیندهای پیچیده صنعتی مثل ذوب فلزات یا تولید دارو، کنترل دقیق دما حرف اول را می‌زند. اما چطور می‌توانیم این کمیت نامرئی را به شکلی دقیق اندازه بگیریم و کنترل کنیم؟ پاسخ در دستان قهرمانان گمنام دنیای اندازه‌گیری است: سنسورهای حرارتی یا سنسورهای دما.

شاید اسمشان کمی فنی به نظر برسد، اما سنسور حرارتی در واقع وسیله‌ای است که تغییرات دما را حس کرده و آن را به یک سیگنال قابل اندازه‌گیری (معمولاً الکتریکی) تبدیل می‌کند. این سیگنال به ما کمک می‌کند تا بفهمیم یک محیط یا یک جسم چقدر گرم یا سرد است. به عنوان کسی که سال‌ها در زمینه تجهیزات ابزار دقیق و المنت‌های حرارتی فعالیت داشته‌ام، بارها دیده‌ام که یک انتخاب نادرست سنسور یا عدم درک صحیح عملکرد آن، چطور می‌تواند منجر به خسارت‌های بزرگ یا کاهش کیفیت محصول شود.

اهمیت اندازه‌گیری دما فقط به صنعت محدود نمی‌شود؛ در خودرو، لوازم خانگی، تجهیزات پزشکی و حتی سیستم‌های تهویه مطبوع ساختمان‌ها، سنسورهای دما نقشی کلیدی ایفا می‌کنند. بدون آن‌ها، بسیاری از فناوری‌هایی که به آن‌ها عادت کرده‌ایم، عملاً غیرقابل استفاده خواهند بود.

در این مقاله، قصد داریم با هم اصول کار سنسورهای حرارتی را مرور می‌کنیم، با انواع مختلفشان مثل ترموکوپل‌ها و سنسورهای مقاومتی آشنا می‌شویم، آن‌ها را مقایسه می‌کنیم و در نهایت به شما کمک می‌کنیم تا بهترین سنسور را برای نیاز خودتان انتخاب کنید. پس با ما همراه باشید تا با زبانی ساده و کاربردی، این قطعات مهم را بهتر بشناسیم.

دسته‌بندی اصلی سنسورهای حرارتی

خب، حالا که با اصول اولیه آشنا شدیم، وقت آن است که سنسورهای دما را در دو گروه اصلی دسته‌بندی کنیم. این دسته‌بندی بر اساس نحوه تعامل سنسور با جسم یا محیطی که می‌خواهیم دمایش را اندازه بگیریم، انجام می‌شود:

1- سنسورهای تماسی

همان‌طور که از اسمشان پیداست، این سنسورها برای اندازه‌گیری دما باید با جسم یا محیط مورد نظر تماس فیزیکی مستقیم داشته باشند. اساس کارشان این است که وقتی سنسور با جسم تماس پیدا می‌کند، تبادل حرارتی بین آن‌ها صورت می‌گیرد تا زمانی که دمای سنسور با دمای جسم به تعادل گرمایی برسد. در واقع، سنسور تماسی دمای خودش را پس از هم‌دما شدن با محیط اندازه‌گیری می‌کند.

• مزایای کلی: معمولاً دقت بالاتری (در شرایط ایده‌آل) نسبت به غیرتماسی‌ها دارند، تنوع بسیار زیادی در انواع و قیمت‌ها دارند و برای طیف وسیعی از کاربردها مناسب هستند.
• معایب کلی: نیاز به تماس مستقیم دارند (برای اجسام متحرک، خطرناک یا دور از دسترس مناسب نیستند)، ممکن است زمان پاسخ‌دهی آن‌ها کمی طولانی‌تر باشد (تا رسیدن به تعادل دمایی)، و خودِ تماس سنسور می‌تواند اندکی بر دمای جسم (مخصوصاً اجسام کوچک) تاثیر بگذارد.
  اکثر سنسورهای رایج صنعتی مانند ترموکوپل‌ها، RTD ها و ترمیستورها در این دسته قرار می‌گیرند که در ادامه به تفصیل درباره‌شان صحبت خواهیم کرد.

2- سنسورهای غیر تماسی

این دسته از سنسورها بدون نیاز به هیچ‌گونه تماس فیزیکی، از فاصله دمای سطح یک جسم را اندازه‌گیری می‌کنند. آن‌ها این کار را با تشخیص و اندازه‌گیری انرژی مادون قرمز (IR) که توسط هر جسمی با دمای بالاتر از صفر مطلق تابش می‌شود، انجام می‌دهند. معروف‌ترین نمونه این سنسورها، پیرومترها یا تب‌سنج‌های دیجیتالی هستند که در دوران کرونا بسیار رایج شدند.

• مزایای کلی: ایده‌آل برای اندازه‌گیری دمای اجسام بسیار داغ، خطرناک، متحرک یا دور از دسترس هستند، زمان پاسخ‌دهی بسیار سریعی دارند و بر دمای جسم تاثیری نمی‌گذارند.
• معایب کلی: دقت آن‌ها به عواملی مانند فاصله، تمیزی لنز، گرد و غبار محیط و به‌خصوص «ضریب گسیلندگی» (Emissivity) سطح جسم بستگی دارد و معمولاً قیمت بالاتری نسبت به سنسورهای تماسی ساده دارند. همچنین این سنسورها فقط دمای سطح جسم را اندازه می‌گیرند.

حالا که تفاوت اصلی این دو دسته را فهمیدیم، بیایید عمیق‌تر شویم و با جزئیات انواع سنسورهای تماسی، که کاربرد گسترده‌تری در صنعت دارند، آشنا شویم.

بررسی دقیق انواع سنسورهای حرارتی تماسی

در این بخش، به قلب ماجرا می‌زنیم و با جزئیات بیشتری با انواع مختلف سنسورهای تماسی آشنا می‌شویم.

1- ترموکوپل‌ها

اگر در صنعت کار کرده باشید، به احتمال زیاد نام ترموکوپل به گوشتان خورده یا حتی با آن‌ها کار کرده‌اید. ترموکوپل‌ها به دلیل استحکام، قیمت مناسب و توانایی کار در دماهای بسیار بالا، یکی از محبوب‌ترین سنسورهای دما در محیط‌های صنعتی هستند.

جادوی ترموکوپل در یک پدیده فیزیکی به نام «اثر سیبک» (Seebeck Effect) نهفته است. به زبان خیلی ساده، وقتی دو سیم از جنس فلزات غیرهم‌نام (مثلاً یکی آهن و دیگری کنستانتان) را از یک سر به هم متصل کنید (که به آن اتصال گرم یا Hot Junction می‌گوییم) و این اتصال را در معرض حرارت قرار دهید، بین دو سر آزادِ دیگرِ این سیم‌ها (که به آن اتصال سرد یا Cold Junction می‌گویند)، یک اختلاف پتانسیل الکتریکی (ولتاژ) بسیار کوچکی ایجاد می‌شود. مقدار این ولتاژ، متناسب با اختلاف دمای بین اتصال گرم و اتصال سرد است. با اندازه‌گیری دقیق این ولتاژ و دانستن دمای اتصال سرد، می‌توان دمای اتصال گرم (یعنی دمای نقطه مورد نظر) را محاسبه کرد.

یک ترموکوپل ساده شامل دو سیم فلزی غیرهم‌جنس است که در یک نقطه به هم جوش داده شده‌اند (اتصال گرم). این مجموعه معمولاً برای محافظت در برابر شرایط محیطی، درون یک غلاف فلزی قرار می‌گیرد.

انواع رایج ترموکوپل‌

ترموکوپل‌ها بسته به جنس فلزاتی که در ساخت آن‌ها استفاده می‌شود، به انواع مختلفی (تیپ یا Type) تقسیم می‌شوند که هر کدام محدوده دمایی و ویژگی‌های خاص خود را دارند. رایج‌ترین آن‌ها عبارتند از:

• تیپ K (کرومل-آلومل): پرکاربردترین نوع، محدوده وسیع، نسبتاً ارزان.
• تیپ J (آهن-کنستانتان): محدوده دمایی کمتر از K، قیمت مناسب، در محیط‌های اکسیدی محدودیت دارد.
• تیپ T (مس-کنستانتان): پایدار، مناسب برای دماهای پایین و کاربردهای آزمایشگاهی.
• تیپ E (کرومل-کنستانتان): بالاترین خروجی ولتاژ (حساسیت بالا).
• تیپ‌های R, S, B (مبتنی بر پلاتین-رودیوم): برای دماهای بسیار بالا (بالای 1000 درجه سانتی‌گراد)، دقیق اما گران‌قیمت.

برای آشنایی کامل‌تر با جزئیات و مشخصات هر کدام از این تیپ‌ها، می‌توانید به مقاله تخصصی ما درباره انواع ترموکوپل صنعتی مراجعه کنید.

مزایای ترموکوپل‌:

• محدوده دمایی بسیار وسیع: برخی تیپ‌ها تا دماهای بالای 1700 درجه سانتی‌گراد را هم اندازه‌گیری می‌کنند.
• استحکام فیزیکی بالا: ساختار ساده و مقاوم آن‌ها باعث می‌شود در برابر لرزش و ضربه دوام خوبی داشته باشند.
• قیمت مناسب: به‌خصوص تیپ‌های K و J نسبت به کارایی‌شان، مقرون‌به‌صرفه هستند.
• سرعت پاسخ‌دهی خوب: به‌ویژه انواع با قطر کم (Exposed Junction).

معایب ترموکوپل‌:

• دقت پایین‌تر: نسبت به سنسورهای RTD دقت کمتری دارند.
• نیاز به جبران‌سازی اتصال سرد (CJC): دقت اندازه‌گیری به دمای اتصال سرد وابسته است و باید این دما اندازه‌گیری و اثرش جبران شود (که معمولاً توسط کنترلر یا ترانسمیتر دما انجام می‌شود).
• غیرخطی بودن: رابطه بین دما و ولتاژ خروجی کاملاً خطی نیست، هرچند در محدوده‌های کوچک می‌توان آن را خطی در نظر گرفت.
• حساسیت به نویز الکتریکی: سیگنال ولتاژی ضعیف آن‌ها می‌تواند تحت تاثیر نویز قرار گیرد.

کاربردهای ترموکوپل‌:

کوره‌های صنعتی، دیگ‌های بخار، موتورهای احتراقی، اگزوزها، صنایع پلاستیک (قالب‌های تزریق)، صنایع غذایی (پخت)، و هرجایی که نیاز به اندازه‌گیری دماهای بالا یا متوسط در شرایط سخت محیطی باشد.

ما در الکترورسا، با توجه به نیازهای متنوع صنایع، طیف گسترده‌ای از انواع ترموکوپل با تیپ‌ها و غلاف‌های مختلف را تولید میکنیم که می‌توانید برای مشاوره و انتخاب بهترین گزینه با کارشناسان ما در تماس باشید.

2- سنسورهای مقاومتی دما

اگر دقت و پایداری در اندازه‌گیری دما برایتان اولویت بالایی دارد، بدون شک سنسورهای RTD یکی از بهترین گزینه‌ها هستند. این سنسورها نسبت به ترموکوپل‌ها دقت بالاتری ارائه می‌دهند و در بسیاری از کاربردهای حساس صنعتی و آزمایشگاهی به کار می‌روند.

عملکرد RTD ها بر یک اصل ساده اما دقیق استوار است: مقاومت الکتریکی برخی فلزات خالص با تغییر دما به طور قابل پیش‌بینی و تکرارپذیری تغییر می‌کند. برخلاف ترموکوپل‌ها که ولتاژ تولید می‌کنند، RTD ها مانند یک مقاومت متغیر عمل می‌کنند. در اکثر RTD های رایج، با افزایش دما، مقاومت الکتریکی آن‌ها نیز افزایش می‌یابد (ضریب دمایی مثبت). دستگاه اندازه‌گیری (مثل کنترلر یا ترانسمیتر) جریانی کوچک و دقیق از RTD عبور می‌دهد و با اندازه‌گیری ولتاژ دو سر آن، مقاومت و در نتیجه دمای سنسور را محاسبه می‌کند.

فلزات مختلفی می‌توانند در ساخت RTD استفاده شوند، اما سه مورد از بقیه رایج‌ترند:

• پلاتین (Pt): بهترین و پرکاربردترین ماده برای RTD هاست. پلاتین رابطه مقاومت-دمای بسیار خطی، پایداری شیمیایی عالی و محدوده دمایی وسیعی دارد.
• نیکل (Ni): ارزان‌تر از پلاتین است اما محدوده دمایی کمتر و خطی بودن ضعیف‌تری دارد.
• مس (Cu): خطی بودن خوبی دارد اما محدوده دمایی آن بسیار محدود است و مقاومت پایینی دارد.
• انواع معروف (نام‌گذاری): RTD ها معمولاً با نام فلز سازنده و مقاومتشان در دمای 0 درجه سانتی‌گراد شناخته می‌شوند. معروف‌ترین و پرکاربردترین نوع آن Pt100 است، یعنی سنسوری از جنس پلاتین که در دمای 0°C مقاومتی برابر با 100 اهم دارد. نوع دیگر رایج Pt1000 است که در 0°C مقاومت 1000 اهمی دارد و به دلیل مقاومت بالاتر، خطای ناشی از مقاومت سیم‌های رابط در آن کمتر است و گاهی برای کاربردهای خاص یا سیستم‌های دوسیمه ترجیح داده می‌شود. برای اطلاعات بیشتر درباره تفاوت‌ها و کاربردهای این دو، می‌توانید مقاله ما با عنوان انواع سنسور PT100 را مطالعه کنید.

چون مقاومت خودِ سیم‌های رابط می‌تواند روی دقت اندازه‌گیری تاثیر بگذارد، RTD ها با تعداد سیم‌های مختلفی عرضه می‌شوند:

• 2 سیمه: ساده‌ترین و ارزان‌ترین نوع، اما مقاومت سیم‌ها مستقیماً به مقاومت سنسور اضافه شده و باعث ایجاد خطا می‌شود. برای کاربردهای کم‌دقت یا فواصل کوتاه مناسب است.
• 3 سیمه: رایج‌ترین نوع در صنعت. با استفاده از سیم سوم، امکان اندازه‌گیری و حذف تقریبی خطای ناشی از مقاومت سیم‌ها فراهم می‌شود و تعادل خوبی بین دقت و هزینه ایجاد می‌کند.
• 4 سیمه: دقیق‌ترین روش. دو سیم برای اعمال جریان و دو سیم دیگر فقط برای اندازه‌گیری ولتاژ دو سر سنسور استفاده می‌شوند، به این ترتیب اثر مقاومت تمام سیم‌های رابط به‌طور کامل حذف می‌شود. این نوع برای کاربردهای آزمایشگاهی و بسیار دقیق استفاده می‌شود.

مزایای سنسورهای مقاومتی دما:

• دقت بسیار بالا: دقیق‌ترین نوع سنسور تماسی رایج هستند.
• پایداری عالی: در طول زمان دقت خود را به خوبی حفظ می‌کنند.
• خطی بودن خوب: رابطه مقاومت-دمای پلاتین در محدوده کاری‌اش بسیار خطی است.
• تکرارپذیری بالا: اندازه‌گیری‌هایشان بسیار قابل اعتماد و تکرارپذیر است.

معایب سنسورهای مقاومتی دما:

• قیمت بالاتر: معمولاً گران‌تر از ترموکوپل‌ها هستند (به‌ویژه انواع پلاتینی).
• محدوده دمایی محدودتر: محدوده کاری آن‌ها معمولاً کمتر از ترموکوپل‌هاست (اغلب تا حدود 600 یا نهایتاً 850 درجه سانتی‌گراد).
• زمان پاسخ‌دهی کندتر: به دلیل جرم بیشتر المنت حسگر، معمولاً دیرتر از ترموکوپل‌ها به تغییرات دما واکنش نشان می‌دهند.
• حساسیت به خودگرمایی (Self-heating): عبور جریان اندازه‌گیری از سنسور، خود باعث ایجاد مقداری گرما می‌شود که می‌تواند خطای کوچکی ایجاد کند (مقدار جریان باید محدود شود).
• حساسیت بیشتر به ضربه و لرزش: نسبت به ساختار ساده ترموکوپل‌ها، کمی ظریف‌تر هستند.

کاربردهای سنسورهای مقاومتی دما:

آزمایشگاه‌ها، صنایع غذایی و دارویی (به دلیل دقت و بهداشتی بودن)، فرآیندهای شیمیایی دقیق، کالیبراسیون، سیستم‌های تهویه مطبوع که نیاز به کنترل دقیق دارند، و هرجا که دقت بالا در اولویت باشد.

انتخاب بین ترموکوپل و RTD یکی از تصمیمات مهم در طراحی سیستم‌های اندازه‌گیری دماست که به نیازهای خاص هر پروژه بستگی دارد.

3- ترمیستورها

ترمیستورها، که نامشان ترکیبی از کلمات “Thermal” (حرارتی) و “Resistor” (مقاومت) است، نوع دیگری از سنسورهای مقاومتی هستند، اما با یک تفاوت اساسی نسبت به RTD ها: آن‌ها به جای فلزات خالص، از مواد نیمه‌هادی (معمولاً اکسیدهای فلزی سرامیکی) ساخته می‌شوند. این تفاوت در جنس، باعث بروز ویژگی‌های منحصر به فردی در ترمیستورها می‌شود.

همانند RTD ها، مقاومت الکتریکی ترمیستورها نیز با دما تغییر می‌کند. اما نکته کلیدی اینجاست که این تغییرات مقاومت در ترمیستورها بسیار شدیدتر از RTD هاست. یعنی به ازای یک تغییر کوچک در دما، مقاومت یک ترمیستور ممکن است تغییر بسیار زیادی بکند. همین ویژگی، آن‌ها را فوق‌العاده حساس می‌کند.

انواع اصلی ترمیستورها:

ترمیستورها عمدتاً به دو دسته تقسیم می‌شوند:

1. NTC یا ضریب دمایی منفی: این نوع، رایج‌ترین ترمیستور برای اندازه‌گیری دماست. در ترمیستور NTC، با افزایش دما، مقاومت الکتریکی آن به شدت کاهش می‌یابد. این رابطه معکوس و غیرخطی، مشخصه اصلی NTC هاست.
2. PTC یا ضریب دمایی مثبت: در این نوع، با افزایش دما، مقاومت الکتریکی نیز افزایش می‌یابد. البته رفتار PTC ها کمی متفاوت است؛ مقاومت آن‌ها در یک محدوده دمایی تقریباً ثابت است، اما با رسیدن به یک دمای خاص (دمای کوری یا سوئیچینگ)، مقاومتشان به طور ناگهانی و بسیار شدید افزایش پیدا می‌کند. به همین دلیل، PTC ها بیشتر به عنوان فیوزهای قابل تنظیم مجدد (resettable fuses) برای محافظت در برابر جریان یا دمای بیش از حد استفاده می‌شوند تا برای اندازه‌گیری دقیق و پیوسته دما. ما در ادامه بیشتر روی NTC ها تمرکز می‌کنیم.

مزایای ترمیستورها (عمدتاً برای NTC):

• حساسیت بسیار بالا: تغییرات مقاومت زیادی به ازای تغییرات کوچک دما دارند که تشخیص تغییرات جزئی دما را ممکن می‌سازد.
• سرعت پاسخ‌دهی بسیار سریع: به دلیل ابعاد کوچک المنت حسگر، خیلی سریع به تغییرات دما واکنش نشان می‌دهند.
• قیمت پایین: معمولاً ارزان‌ترین نوع سنسور دما هستند.
• ابعاد کوچک: می‌توان آن‌ها را در اندازه‌های بسیار کوچک تولید کرد.

معایب ترمیستورها (عمدتاً برای NTC):

• غیرخطی بودن شدید: رابطه بین مقاومت و دما بسیار غیرخطی است که کار با آن‌ها و کالیبراسیون را کمی پیچیده‌تر می‌کند و نیاز به استفاده از جداول مشخصه (lookup tables) یا فرمول‌های پیچیده در دستگاه خواننده دارد.
• محدوده دمایی محدود: معمولاً برای محدوده‌های دمایی نسبتاً پایینی (مثلاً -50 تا +150 یا نهایتاً +300 درجه سانتی‌گراد) مناسب هستند.
• پایداری کمتر: نسبت به RTD ها و حتی ترموکوپل‌ها، پایداری بلندمدت کمتری دارند و مشخصاتشان ممکن است در طول زمان کمی تغییر کند.
• حساسیت به خودگرمایی: به دلیل مقاومت بالا و ابعاد کوچک، حتی جریان‌های کوچک هم می‌توانند باعث گرم شدن و ایجاد خطا در اندازه‌گیری شوند.

کاربردهای ترمیستورها

به دلیل قیمت پایین و حساسیت بالا، در حجم انبوه در لوازم خانگی (یخچال، فریزر، کولر، ماشین لباسشویی، قهوه‌ساز)، تجهیزات پزشکی (انواع تب‌سنج‌های دیجیتال)، بردهای الکترونیکی (برای مانیتورینگ دمای قطعات حساس مانند CPU)، پک‌های باتری (برای جلوگیری از افزایش بیش از حد دما) و برخی کاربردهای خودرویی استفاده می‌شوند. در واقع هرجا که نیاز به تشخیص سریع تغییرات دما در یک محدوده محدود و با هزینه کم باشد، ترمیستور NTC یک گزینه عالی است.

ترمیستورها شاید به اندازه ترموکوپل‌ها و RTD ها در کاربردهای سنگین صنعتی رایج نباشند، اما در دنیای الکترونیک و لوازم مصرفی، نقش بسیار پررنگی دارند.

4- سنسورهای دمای مبتنی بر نیمه‌هادی

با پیشرفت فناوری نیمه‌هادی‌ها، سنسورهای دمای مجتمع یا IC (Integrated Circuit) به گزینه‌ای جذاب، به‌ویژه در کاربردهای الکترونیکی و حجم تولید بالا، تبدیل شده‌اند. این سنسورها از ویژگی‌های وابسته به دمای قطعات نیمه‌هادی مانند دیودها و ترانزیستورها برای اندازه‌گیری دما بهره می‌برند و تمام مدارات لازم برای پردازش سیگنال را اغلب در همان تراشه کوچک جای داده‌اند.

اساس کار این سنسورها معمولاً بر پایه تغییر ولتاژ اتصال P-N (مانند یک دیود) با دما است. این تغییر ولتاژ بسیار قابل پیش‌بینی و نسبتاً خطی است. مدارات داخلی IC این تغییرات ولتاژ را حس کرده و آن را به یک خروجی قابل استفاده تبدیل می‌کنند. مزیت بزرگ این روش، امکان گنجاندن مدارات پردازشی، تقویت‌کننده، خطی‌ساز و حتی مبدل آنالوگ به دیجیتال در کنار خود سنسور روی یک تراشه واحد است.

انواع خروجی سنسورهای دمای مبتنی بر نیمه‌هادی

سنسورهای دمای IC با خروجی‌های متنوعی عرضه می‌شوند که کار با آن‌ها را بسیار آسان می‌کند:

• خروجی ولتاژ آنالوگ: ولتاژ خروجی مستقیماً و به صورت خطی با دما تغییر می‌کند (مثلاً 10 میلی‌ولت به ازای هر درجه سانتی‌گراد).
• خروجی جریان آنالوگ: جریان خروجی به صورت خطی با دما متناسب است.
• خروجی دیجیتال: این نوع سنسورها دارای مبدل آنالوگ به دیجیتال داخلی هستند و دما را مستقیماً به صورت یک عدد دیجیتال از طریق پروتکل‌های ارتباطی رایج مانند I²C، SPI یا SMBus ارسال می‌کنند. این امر اتصال آن‌ها به میکروکنترلرها و پردازنده‌ها را فوق‌العاده ساده می‌کند.
• خروجی ترموستات (هشدار): برخی IC ها دارای یک خروجی دیجیتال ساده هستند که در صورت عبور دما از یک آستانه تنظیم‌شده، وضعیت آن تغییر می‌کند (مثلاً برای روشن کردن یک فن یا اعلام هشدار).

مزایای سنسورهای دمای مبتنی بر نیمه‌هادی:

• خروجی خطی: بسیاری از انواع آنالوگ و دیجیتال، خروجی بسیار خطی دارند که نیاز به کالیبراسیون یا خطی‌سازی پیچیده را از بین می‌برد.
• قیمت مناسب: به‌ویژه در تولید انبوه، هزینه پایینی دارند.
• ابعاد بسیار کوچک: در بسته‌بندی‌های استاندارد IC عرضه می‌شوند و فضای کمی اشغال می‌کنند.
• سهولت استفاده: به‌خصوص انواع دیجیتال، به راحتی به سیستم‌های دیجیتال متصل می‌شوند.
• مصرف توان پایین: برای کاربردهای باتری‌دار مناسب هستند.
• امکانات اضافی: گاهی ویژگی‌هایی مانند حافظه داخلی یا قابلیت تنظیم آستانه هشدار را نیز ارائه می‌دهند.

معایب سنسورهای دمای مبتنی بر نیمه‌هادی:

• محدوده دمایی بسیار محدود: این سنسورها معمولاً برای محدوده‌های دمایی نسبتاً پایینی طراحی شده‌اند (مثلاً محدوده رایج -40 یا -55 تا +125 یا +150 درجه سانتی‌گراد) و برای دماهای بالا اصلاً مناسب نیستند.
• سرعت پاسخ‌دهی کندتر: معمولاً نسبت به ترمیستورها و ترموکوپل‌های بدون غلاف، زمان پاسخ‌دهی طولانی‌تری دارند.
• حساسیت به خودگرمایی: مانند سایر سنسورهای مقاومتی و نیمه‌هادی، عبور جریان می‌تواند باعث ایجاد گرما و خطا شود.

کاربردهای سنسورهای دمای مبتنی بر نیمه‌هادی

به دلیل سهولت استفاده و قیمت مناسب، به طور گسترده در بردهای الکترونیکی (مانیتورینگ دمای پردازنده، چیپست‌ها روی مادربرد کامپیوتر، لپ‌تاپ و گوشی‌های هوشمند)، تجهیزات ثبت داده (Data Loggers)، ترموستات‌های اتاقی دیجیتال در سیستم‌های HVAC، تجهیزات اندازه‌گیری قابل حمل، و دستگاه‌های مبتنی بر اینترنت اشیاء (IoT) استفاده می‌شوند.

سنسورهای IC شاید محدوده کاری وسیع یا دقت فوق‌العاده بالای RTD ها را نداشته باشند، اما سادگی، خطی بودن و قیمتشان، آن‌ها را به گزینه‌ای ایده‌آل برای بسیاری از کاربردهای مدرن تبدیل کرده است.

5- سنسورهای دوفلزی

شاید بتوان گفت سنسورهای دوفلزی یا بیمتال‌ها، ساده‌ترین و قدیمی‌ترین نوع حسگرهای دما هستند که هنوز هم در برخی کاربردهای خاص مورد استفاده قرار می‌گیرند. این سنسورها برخلاف انواع قبلی که بر اساس تغییر خواص الکتریکی کار می‌کردند، از یک پدیده کاملاً مکانیکی بهره می‌برند.

اساس کار بیمتال‌ها بر پایه ضریب انبساط حرارتی متفاوت دو فلز مختلف است. یک نوار بیمتال از دو لایه فلز غیرهم‌جنس (مثلاً فولاد و برنج یا فولاد و مس) که به طور محکم به یکدیگر چسبیده‌اند (معمولاً با پرچ، لحیم‌کاری یا جوشکاری) تشکیل شده است. هنگامی که دما افزایش می‌یابد، هر دو فلز منبسط می‌شوند، اما فلزی که ضریب انبساط حرارتی بالاتری دارد، بیشتر طول پیدا می‌کند. چون این دو لایه به هم متصل هستند، این انبساط نامساوی باعث خم شدن نوار دوفلزی می‌شود. مقدار این خم‌شدگی متناسب با تغییر دما است.

این نوار خم‌شونده می‌تواند به شکل‌های مختلفی ساخته شود:

• نواری: ساده‌ترین شکل که با خم شدن می‌تواند یک کنتاکت الکتریکی را قطع یا وصل کند یا عقربه‌ای را حرکت دهد.
• دیسکی: یک دیسک کوچک که با رسیدن به دمای مشخصی، به طور ناگهانی تغییر شکل می‌دهد (حالت فنری پیدا می‌کند) و برای ایجاد یک کلید قطع و وصل
• سریع  استفاده می‌شود.
• حلزونی یا فنری: با پیچاندن یک نوار بیمتال بلند به شکل فنر، می‌توان حرکت چرخشی ایجاد کرد که برای حرکت دادن عقربه در دماسنج‌های آنالوگ ارزان قیمت استفاده می‌شود.

مزایای سنسورهای دوفلزی:

• بسیار ساده و ارزان: ساختار مکانیکی ساده‌ای دارند و هزینه تولیدشان پایین است.
• بدون نیاز به منبع تغذیه: کاملاً مکانیکی عمل می‌کنند و به برق نیازی ندارند.
• عملکرد مستقیم به عنوان سوئیچ: می‌توانند مستقیماً برای قطع و وصل یک مدار الکتریکی به کار روند (مانند ترموستات).

معایب سنسورهای دوفلزی:

• دقت پایین: نسبت به سنسورهای الکترونیکی دقت بسیار کمتری دارند.
• سرعت پاسخ‌دهی کند: به دلیل جرم و ساختار مکانیکی، واکنششان به تغییرات دما کند است.
• پسماند (Hysteresis) زیاد: اختلاف دمای بین نقطه قطع و وصل در آن‌ها معمولاً قابل توجه است. (مثلاً ترموستاتی که در 20 درجه روشن و در 22 درجه خاموش می‌شود).
• استهلاک مکانیکی: با گذشت زمان و تکرار عملکرد، ممکن است دچار خستگی یا تغییر در نقطه تنظیم شوند.

کاربردهای سنسورهای دوفلزی

امروزه کاربرد آن‌ها محدودتر شده، اما هنوز در ترموستات‌های مکانیکی بسیار ساده و ارزان (مانند برخی مدل‌های قدیمی آبگرمکن، اتو، یا بخاری‌های برقی ساده)، دماسنج‌های عقربه‌ای ارزان قیمت (مانند دماسنج‌های دمای فر یا محیط) و همچنین به عنوان محافظ حرارتی در برخی موتورها یا دستگاه‌های ساده استفاده می‌شوند.

بیمتال‌ها یادآور دوران ساده‌تر مهندسی کنترل هستند و گرچه جای خود را در بسیاری از کاربردها به سنسورهای الکترونیکی دقیق‌تر داده‌اند، اما سادگی و هزینه پایینشان هنوز آن‌ها را در برخی موارد کاربردی نگه داشته است.

بررسی دقیق انواع سنسورهای حرارتی غیر تماسی

تا اینجا درباره سنسورهایی صحبت کردیم که برای اندازه‌گیری دما نیاز به لمس کردن جسم داشتند. اما موقعیت‌هایی وجود دارد که این تماس یا ممکن نیست یا مطلوب نیست؛ مثلاً وقتی جسم مورد نظر بسیار داغ، متحرک، دور از دسترس، یا از نظر شیمیایی خورنده باشد. در چنین شرایطی، قهرمانان میدان، سنسورهای مادون قرمز (Infrared – IR) یا پیرومترها هستند.

فیزیک به ما می‌گوید که هر جسمی با دمای بالاتر از صفر مطلق (-273.15 درجه سانتی‌گراد)، انرژی گرمایی را به صورت امواج الکترومغناطیسی، عمدتاً در طیف مادون قرمز، تابش می‌کند. میزان این تابش با دمای جسم نسبت مستقیم دارد (هرچه گرم‌تر، تابش بیشتر). سنسور IR مانند یک دوربین عمل می‌کند؛

با استفاده از یک سیستم اپتیکی (مانند لنز)، این تابش نامرئی مادون قرمز را از سطح جسم جمع‌آوری کرده و روی یک آشکارساز حساس متمرکز می‌کند. آشکارساز این انرژی تابشی را به یک سیگنال الکتریکی تبدیل می‌کند. سپس مدارات پردازشگر داخل سنسور، با در نظر گرفتن برخی عوامل، این سیگنال را تفسیر کرده و دمای سطح جسم را محاسبه و نمایش می‌دهند.

برای استفاده صحیح و دقیق از پیرومترها، باید با دو مفهوم کلیدی آشنا باشیم:

1. ضریب گسیلندگی: این ضریب نشان می‌دهد که یک سطح چقدر خوب انرژی گرمایی را تابش می‌کند (عددی بین 0 و 1). یک جسم سیاه ایده‌آل (که تمام تابش‌ها را جذب و تابش می‌کند) ضریب 1 دارد. سطوح مات و تیره معمولاً ضریب گسیلندگی بالایی (نزدیک به 1) دارند، در حالی که سطوح براق و صیقلی (مانند فلزات) ضریب گسیلندگی پایینی دارند و بخشی از تابش محیط را هم منعکس می‌کنند. برای اندازه‌گیری دقیق، باید مقدار ضریب گسیلندگی ماده مورد نظر را بدانیم و آن را روی دستگاه پیرومتر تنظیم کنیم. عدم تنظیم صحیح این ضریب، یکی از اصلی‌ترین منابع خطا در اندازه‌گیری با IR است.
2. نسبت فاصله به نقطه: این مشخصه نشان می‌دهد که از یک فاصله معین، دستگاه دمای چه سطحی (دایره‌ای) را اندازه‌گیری می‌کند. مثلاً D:S برابر 12:1 یعنی اگر از فاصله 12 متری به جسم نگاه کنیم، قطر دایره‌ای که دستگاه دمایش را می‌خواند، 1 متر است. نکته مهم این است که برای اندازه‌گیری دقیق، باید کل این دایره اندازه‌گیری روی سطح جسم مورد نظر قرار گیرد و از آن بزرگ‌تر نباشد. در غیر این صورت، دستگاه میانگین دمای جسم و محیط اطرافش را می‌خواند که منجر به خطا می‌شود.

مزایا سنسورهای حرارتی غیر تماسی:

• اندازه‌گیری از راه دور: بدون نیاز به تماس فیزیکی، امکان اندازه‌گیری دما فراهم می‌شود.
• مناسب برای شرایط خاص: ایده‌آل برای اجسام متحرک، بسیار داغ (که به سنسور تماسی آسیب می‌زنند)، خطرناک (ولتاژ بالا) یا جاهایی که تماس باعث آلودگی می‌شود (صنایع غذایی).
• پاسخ‌دهی بسیار سریع: تقریباً بلافاصله دما را نشان می‌دهند.
• بدون تاثیر بر جسم: چون تماسی وجود ندارد، خودِ فرآیند اندازه‌گیری دمای جسم را تغییر نمی‌دهد.

معایب سنسورهای حرارتی غیر تماسی:

• تاثیرپذیری از Emissivity: دقت به شدت به تنظیم صحیح ضریب گسیلندگی وابسته است.
• تاثیرپذیری از محیط: گرد و غبار، دود، بخار آب یا گازهای بین سنسور و جسم می‌توانند روی دقت تاثیر بگذارند. لنز سنسور هم باید تمیز باشد.
• اندازه‌گیری دمای سطح: فقط دمای سطح جسم را اندازه می‌گیرند، نه دمای داخلی آن را.
• دقت نسبتاً پایین‌تر: در شرایط ایده‌آل، دقتشان معمولاً به پای RTD ها نمی‌رسد.
• هزینه بالاتر: اغلب گران‌تر از سنسورهای تماسی رایج هستند.

کاربردهای سنسورهای حرارتی غیر تماسی

صنایع فولاد، شیشه، سیمان (اندازه‌گیری دمای کوره و مذاب)، نگهداری و تعمیرات پیشگیرانه (بررسی دمای موتورها، بلبرینگ‌ها، تابلوهای برق برای یافتن نقاط داغ غیرعادی – به عنوان یک مهندس برق، بارها با استفاده از پیرومتر از بروز مشکلات جدی در تجهیزات جلوگیری کرده‌ام)، کنترل فرآیند در خطوط تولید، تب‌سنجی پزشکی بدون تماس، بازرسی حرارتی ساختمان‌ها، و کنترل دمای مواد غذایی.

پیرومترها ابزارهای قدرتمندی هستند، اما استفاده صحیح و آگاهی از محدودیت‌هایشان برای دستیابی به نتایج قابل اعتماد ضروری است.

مقایسه جامع انواع سنسورهای حرارتی

انتخاب سنسور دمای مناسب می‌تواند چالش‌برانگیز باشد، زیرا هر نوع سنسور، مزایا و معایب خاص خود را دارد و برای کاربردهای متفاوتی بهینه‌سازی شده است. هیچ سنسوری وجود ندارد که برای تمام کاربردها بهترین باشد. در جدول زیر، سعی کرده‌ایم ویژگی‌های کلیدی انواع سنسورهایی که بررسی کردیم را به صورت خلاصه مقایسه کنیم:

نکات کلیدی در انتخاب سنسور حرارتی مناسب

انتخاب سنسور دمای “درست” فقط خرید یک قطعه نیست؛ بلکه یک تصمیم مهندسی است که می‌تواند مستقیماً بر عملکرد، دقت، پایداری و هزینه نهایی سیستم شما تأثیر بگذارد. حالا که با انواع سنسورها و ویژگی‌هایشان آشنا شدیم، بیایید ببینیم چه سوالاتی را باید از خودمان بپرسیم تا بهترین انتخاب را داشته باشیم:

محدوده دمای کاری چقدر است؟

اولین و مهم‌ترین قدم، تعیین دقیق حداقل و حداکثر دمایی است که سنسور باید در آن کار کند و آن را اندازه‌گیری نماید. مطمئن شوید که محدوده کاری سنسور انتخابی، کل این بازه را به راحتی پوشش می‌دهد و کمی هم حاشیه اطمینان در نظر بگیرید.

چه میزان دقت و تکرارپذیری لازم است؟

آیا به دقت بسیار بالا (در حد دهم درجه) نیاز دارید یا دقت یک یا دو درجه هم کافی است؟ دقت بالاتر معمولاً به معنی هزینه بیشتر است. بیش از حد نیاز، دقت را بالا نبرید، اما کمتر از حد لازم هم انتخاب نکنید. به تکرارپذیری (ثبات اندازه‌گیری در شرایط یکسان) نیز توجه کنید.

شرایط محیطی محل نصب چگونه است؟

آیا سنسور در معرض لرزش، ضربه، رطوبت بالا، فشار زیاد، مواد شیمیایی خورنده یا نویز الکتریکی شدید قرار می‌گیرد؟ پاسخ به این سوالات نوع سنسور (مثلاً استحکام ترموکوپل در برابر لرزش) و همچنین نوع غلاف محافظ، درجه حفاظت (IP Rating) و نحوه سیم‌کشی را تعیین می‌کند.

آیا امکان تماس فیزیکی وجود دارد؟ آیا تماس مجاز است؟

اگر جسم متحرک است، دمای بسیار بالایی دارد، خطرناک است یا تماس فیزیکی باعث آلودگی می‌شود (مثل صنایع غذایی استریل)، باید به سراغ سنسورهای غیر تماسی (IR) بروید. در غیر این صورت، سنسورهای تماسی معمولاً دقت بالاتری ارائه می‌دهند.

سرعت پاسخ‌دهی چقدر اهمیت دارد؟

در برخی فرآیندها (مثل کنترلرهای PID سریع)، واکنش سریع سنسور به تغییرات دما حیاتی است. ترمیستورها و ترموکوپل‌های بدون غلاف (Exposed Junction) سریع‌ترین پاسخ را دارند، در حالی که RTD ها و سنسورهای داخل غلاف‌های ضخیم کندتر عمل می‌کنند.

نوع سیگنال خروجی مورد نیاز چیست؟

سیستم کنترلی یا نمایشگر شما چه نوع ورودی را می‌پذیرد؟ آیا به خروجی مقاومتی (RTD, Thermistor)، ولتاژی (Thermocouple, IC)، جریانی (معمولاً با ترانسمیتر 4-20mA) یا دیجیتال (IC, یا سنسورهای هوشمند با پروتکل‌های خاص) نیاز دارید؟ سازگاری سیگنال خروجی سنسور با بقیه سیستم بسیار مهم است.

بودجه پروژه چقدر است؟

هزینه همیشه یک فاکتور مهم است. قیمت سنسورها می‌تواند از چند هزار تومان (برای ترمیستورهای ساده) تا چند میلیون تومان (برای RTD های دقیق یا پیرومترهای پیشرفته) متغیر باشد. هزینه لوازم جانبی مانند غلاف، کابل رابط، کانکتور و ترانسمیتر را نیز در نظر بگیرید.

محدودیت‌های فیزیکی نصب چیست؟

آیا فضای نصب محدود است؟ آیا نیاز به طول غلاف خاصی دارید؟ قطر پراب چقدر می‌تواند باشد؟ نوع اتصال (رزوه‌ای، فلنجی، …) چگونه باید باشد؟

جنس ماده‌ای که دمایش اندازه‌گیری می‌شود چیست؟

این مورد هم بر انتخاب جنس غلاف (برای جلوگیری از خوردگی) و هم بر انتخاب ضریب گسیلندگی (در سنسورهای IR) تاثیرگذار است.

با پاسخ دادن به این سوالات و با استفاده از جدول مقایسه‌ای بخش قبل، می‌توانید گزینه‌های خود را محدود کرده و به بهترین انتخاب نزدیک شوید. همیشه به دیتاشیت (برگه مشخصات فنی) سنسورها که توسط سازنده ارائه می‌شود، با دقت توجه کنید. و البته، فراموش نکنید که اگر در انتخاب سنسور مناسب تردید دارید، کارشناسان ما در الکترورسا آماده‌اند تا با توجه به تجربه و دانش فنی خود، شما را راهنمایی کنند.

نتیجه‌گیری

در این راهنما، سفری به دنیای متنوع و کاربردی سنسورهای حرارتی داشتیم. دیدیم که این قطعات، از ترموکوپل‌های مقاوم و پرکاربرد گرفته تا RTD های دقیق و پایدار، ترمیستورهای حساس و ارزان، سنسورهای IC مدرن و پیرومترهای غیرتماسی، هر کدام با بهره‌گیری از اصول فیزیکی متفاوت، وظیفه مهم اندازه‌گیری دما را به شیوه‌های گوناگون انجام می‌دهند.

مرور کردیم که چگونه عواملی مانند محدوده دما، دقت مورد نیاز، شرایط محیطی، سرعت پاسخ‌دهی و بودجه، در انتخاب سنسور مناسب نقش اساسی دارند. مقایسه جامع انجام شده نشان داد که هیچ سنسوری “بهترین” نیست، بلکه “مناسب‌ترین” سنسور برای هر کاربرد، سنسوری است که نیازمندی‌های آن کاربرد خاص را به بهترین شکل و با منطقی‌ترین هزینه برآورده سازد.

امیدواریم این مقاله درک شما را از انواع سنسورهای حرارتی عمیق‌تر کرده و شما را در انتخاب آگاهانه یاری داده باشد. دنیای اندازه‌گیری و کنترل دما همواره در حال پیشرفت است، اما اصول اولیه‌ای که بررسی کردیم، پایه‌های اساسی این حوزه را تشکیل می‌دهند.

اگر سوالی دارید یا برای پروژه‌های خود نیاز به مشاوره تخصصی در زمینه انتخاب و خرید انواع سنسور دما، المنت‌های حرارتی یا تجهیزات ابزار دقیق دارید، تیم الکترورسا همواره آماده پاسخگویی و ارائه راهکار به شما عزیزان است.