سنسور دما چیست و انواع آن کدامند؟

دما یکی از حیاتی‌ترین پارامترهای قابل اندازه‌گیری در صنایع مختلف است. کنترل دقیق دما در فرآیندهای حساس، از تولید فولاد گرفته تا کشت باکتری و جوجه‌کشی، نقشی ضروری و غیرقابل جایگزین ایفا می‌کند. کوچکترین خطایی در اندازه‌گیری دما می‌تواند به کیفیت محصول آسیب جبران‌ناپذیری وارد کند. در همین راستا، سنسورهای دما به عنوان ابزارهای کلیدی برای نظارت و کنترل این پارامتر حیاتی، اهمیت فوق‌العاده‌ای پیدا می‌کنند.

سنسور دما چیست؟

به بیان ساده، یک سنسور دما یا حسگر دما، وسیله‌ای الکتریکی یا الکترونیکی است که می‌تواند تغییرات دمایی را اندازه‌گیری کرده و آن را به یک سیگنال الکتریکی قابل فهم برای دستگاه‌های کنترلی تبدیل کند.

این سیگنال می‌تواند به صورت ولتاژ، جریان یا تغییر مقاومت باشد. هدف اصلی سنسور دما، تبدیل کمیت فیزیکی دما به یک مقدار قابل اندازه‌گیری الکتریکی است. این حسگرها قابلیت اندازه‌گیری دمای جامدات، مایعات و گازها را دارند و در بخش ورودی سیستم‌های کنترلی برای جمع‌آوری داده‌های اولیه مورد استفاده قرار می‌گیرند.

انواع سنسور دما: تماسی و غیر تماسی

سنسورهای دما به طور کلی به دو دسته اصلی تقسیم می‌شوند:

• سنسورهای تماسی: این سنسورها برای اندازه‌گیری دما نیاز به تماس فیزیکی مستقیم با جسم یا محیط مورد نظر دارند. آن‌ها با استفاده از هدایت حرارتی، تغییرات دما را رصد می‌کنند. ترموکوپل‌ها، RTDها و ترمیستورها از رایج‌ترین انواع سنسورهای تماسی هستند که به ویژه در کاربردهای صنعتی که نیاز به دقت بالا و دسترسی به محیط اندازه‌گیری وجود دارد، بسیار پرکاربردند.
• سنسورهای غیر تماسی: این دسته از سنسورها بدون نیاز به تماس فیزیکی، دما را اندازه‌گیری می‌کنند. آن‌ها از پدیده‌هایی مانند همرفت یا تشعشعات ساطع شده از جسم (مانند تابش مادون قرمز) برای تشخیص دما استفاده می‌کنند. پیرومترهای تابشی و سنسورهای مادون قرمز نمونه‌هایی از این نوع هستند. این روش در مواقعی که فاصله زیاد است یا دمای جسم بسیار بالاست و امکان تماس فیزیکی وجود ندارد، کاربرد دارد، مانند لامپ‌های UV detector یا لامپ‌های مادون قرمز و همچنین در تب‌سنج‌های پزشکی.

دسته‌بندی سنسورهای دما بر اساس عملکرد

علاوه بر دسته‌بندی تماسی و غیر تماسی، سنسورهای دما را می‌توان بر اساس اصل عملکرد نیز به گروه‌های زیر تقسیم کرد:

• دماسنج‌های الکترومکانیکی (غیر الکتریکی): این ابزارها بر اساس تغییر خواص فیزیکی ماده (مانند انبساط و انقباض) در اثر تغییر دما کار می‌کنند. نمونه‌های آن شامل دماسنج‌های مایع در شیشه (جیوه ایی)، دماسنج‌های دو فلزی (بی‌متال) و دماسنج‌های میله‌ای جامد است. بی‌متال که نوعی ترموستات مکانیکی است، از دو فلز با ضرایب انبساط متفاوت تشکیل شده که با گرم شدن خم شده و مدار الکتریکی را قطع یا وصل می‌کند.
• دماسنج‌های الکتریکی (مبتنی بر تغییرات الکتریکی): این سنسورها با تغییر پارامترهای الکتریکی مانند مقاومت یا ولتاژ در پاسخ به دما عمل می‌کنند. این دسته شامل ترموکوپل‌ها، RTDها، ترمیستورها و سنسورهای نیمه‌هادی (IC Sensor) می‌شود. این سنسورها حساسیت و سرعت پاسخگویی بالایی دارند و می‌توانند طیف وسیعی از دما را اندازه‌گیری کنند.
• دماسنج‌های نوری (تابشی): این ابزارها با اندازه‌گیری انرژی حرارتی ساطع شده از یک جسم گرم، دما را تعیین می‌کنند، مانند پیرومترهای تابشی که بدون تماس فیزیکی دمای بالا را اندازه می‌گیرند.

معرفی متداول‌ترین انواع سنسور دما در صنعت

در ادامه به بررسی چهار نوع از پرکاربردترین سنسورهای دما می‌پردازیم:

۱. ترموکوپل (Thermocouple)

ترموکوپل‌ها از مهم‌ترین ابزارهای اندازه‌گیری دما در محیط‌های صنعتی هستند. اصل کار آن‌ها بر اساس “اثر سیبک” (Seebeck effect) است که در سال ۱۸۲۱ کشف شد. طبق این پدیده، زمانی که دو سیم از جنس فلزات غیرهم‌جنس از یک سر به یکدیگر متصل شوند، اختلاف دما بین نقطه اتصال (Hot junction) و انتهای آزاد سیم‌ها (Cold junction) باعث ایجاد یک نیروی الکتروموتیو (EMF) یا ولتاژ می‌شود که متناسب با دما است. با افزایش دما در نقطه اتصال، ولتاژ تولید شده نیز افزایش می‌یابد.

مزایا:

• قیمت مناسب: ترموکوپل‌ها معمولاً ارزان‌تر از سایر سنسورهای دما هستند.
• رنج دمایی گسترده: این سنسورها وسیع‌ترین محدوده دمایی را پوشش می‌دهند (از ۲۰۰- تا بالای ۲۰۰۰ درجه سانتی‌گراد).
• سرعت پاسخ‌دهی بالا: به سرعت به تغییرات دما واکنش نشان می‌دهند.
• Self-powered: نیازی به منبع تغذیه خارجی ندارند.
• دوام بالا: در محیط‌های صنعتی خشن مقاوم هستند.

معایب:

• غیر خطی بودن: رابطه ولتاژ خروجی با دما کاملاً خطی نیست و نیاز به جبران‌سازی دارد.
• پایداری کمتر: پایداری آن‌ها در طول زمان نسبت به RTDها کمتر است.
• نیاز به جبران‌سازی نقطه اتصال سرد: برای اندازه‌گیری دقیق، باید دمای نقطه اتصال سرد نیز اندازه‌گیری و جبران شود.
• ولتاژ خروجی پایین: ولتاژ خروجی در حد میلی‌ولت است که ممکن است به تقویت‌کننده نیاز داشته باشد.

انواع ترموکوپل: ترموکوپل‌ها در انواع و تیپ‌های متفاوتی مانند (J, K, T, E, R, S, B, C, D) تولید می‌شوند که هر کدام محدوده دمایی و جنس فلز خاص خود را دارند. تیپ K یکی از پرکاربردترین آن‌ها است.

۲. آشکارساز دمای مقاومتی (RTD – Resistance Temperature Detector)

RTDها سنسورهای مقاومتی حساس به دما هستند که از فلزاتی با خلوص بالا مانند پلاتین، مس یا نیکل ساخته می‌شوند. مکانیزم عملکرد آن‌ها بر این اساس است که با افزایش دما، مقاومت الکتریکی فلز افزایش می‌یابد (ضریب دمایی مثبت). رابطه مقاومت در برابر دما در RTDها به خوبی شناخته شده و قابل تکرار است. با اندازه‌گیری مقاومت فلز، می‌توان دمای آن را تعیین کرد.

سنسور PT100 یکی از مهم‌ترین و رایج‌ترین RTDها است که از جنس پلاتین ساخته شده و در دمای ۰ درجه سانتی‌گراد، مقاومتی برابر با ۱۰۰ اهم دارد. استفاده از پلاتین به دلیل رابطه خطی مقاومت با دما و مقاومت در برابر خوردگی در دماهای بالا رایج است.

مزایا:

• دقت بسیار بالا: از دقیق‌ترین سنسورهای دما هستند.
• پایداری بلندمدت: پایداری عالی در طول زمان دارند.
• خطی بودن خروجی: رابطه مقاومت با دما بسیار خطی است.
• قابلیت کالیبراسیون مجدد: می‌توان آن‌ها را کالیبره کرد.
• عدم نیاز به جبران‌سازی اتصال سرد: برخلاف ترموکوپل‌ها، خطاهای مربوط به اتصال سرد در آن‌ها مطرح نیست.

معایب:

• قیمت بالاتر: معمولاً گران‌تر از ترموکوپل‌ها و ترمیستورها هستند.
• سرعت پاسخ‌دهی کندتر: به دلیل جرم حرارتی بیشتر، زمان پاسخ آن‌ها آهسته‌تر است.
• نیاز به منبع جریان: برای اندازه‌گیری مقاومت، نیاز به یک منبع جریان دارند.
• پدیده خود گرمایی (Self-heating): جریان عبوری از سنسور می‌تواند باعث گرم شدن آن و ایجاد خطا در اندازه‌گیری شود.
• رنج دمایی محدودتر: محدوده دمایی آن‌ها نسبت به ترموکوپل‌ها محدودتر است (معمولاً تا ۶۰۰ درجه سانتی‌گراد).

انواع RTD: RTDها از نظر سیم‌بندی به گروه‌های دو، سه و چهار سیمه تقسیم می‌شوند که نوع چهار سیمه بالاترین دقت و نوع سه سیمه بیشترین کاربرد صنعتی را دارد.

آکام صنعت به عنوان نمایندگی ifm و SICK آلمان، تامین‌کننده سنسور دما از جمله انواع RTD با کیفیت بالا است.

۳. ترمیستور (Thermistor)

ترمیستورها نیز مانند RTDها از سنسورهای مقاومتی هستند، اما از مواد نیمه‌هادی (مانند اکسیدهای فلزی) ساخته می‌شوند. نام “ترمیستور” ترکیبی از دو کلمه Thermal و Resistor به معنای “مقاومت حساس به دما” است.

انواع ترمیستور:

• NTC (Negative Temperature Coefficient): رایج‌ترین نوع ترمیستور است. با افزایش دما، مقاومت سنسور کاهش می‌یابد. این سنسورها حساسیت بالایی به تغییرات جزئی دما دارند و برای کاربردهایی مانند تب‌سنج‌های پزشکی که نیاز به دقت بالا در بازه محدود دارند، مناسب‌اند.
• PTC (Positive Temperature Coefficient): با افزایش دما، مقاومت سنسور افزایش می‌یابد. از این نوع کمتر برای اندازه‌گیری دما استفاده می‌شود و بیشتر در کاربردهای حفاظتی (مانند فیوزهای قابل بازگشت) کاربرد دارند.

مزایا:

• قیمت پایین: ارزان‌تر از RTDها و بسیاری از ترموکوپل‌ها هستند.
• حساسیت بالا و دقت نسبتاً بالا: به تغییرات کوچک دما بسیار حساس‌اند.
• سرعت پاسخ‌دهی سریع: سریع‌تر از RTDها به تغییرات دما واکنش نشان می‌دهند.
• اندازه کوچک: به دلیل ابعاد کوچک، در فضاهای محدود قابل استفاده‌اند.

معایب:

• غیر خطی بودن شدید (نمایی): رابطه مقاومت با دما بسیار غیرخطی است که پردازش داده را پیچیده‌تر می‌کند.
• محدوده دمایی محدود: بازه عملکردی آن‌ها معمولاً محدود است (معمولاً بین ۵۵- تا ۲۰۰ درجه سانتی‌گراد).
• پایداری کمتر: پایداری آن‌ها در طول زمان نسبت به RTDها پایین‌تر است.
• خود گرمایی: مستعد پدیده خود گرمایی هستند.
• شکننده بودن: به دلیل جنس نیمه‌هادی، ممکن است شکننده‌تر باشند.

۴. سنسورهای نیمه‌هادی (IC Sensor – Integrated Circuit Sensor)

سنسورهای IC در واقع مدارهای مجتمعی هستند که برای اندازه‌گیری دما طراحی شده‌اند. این سنسورها از خواص فیزیکی ترانزیستورها یا دیودها برای تشخیص تغییرات دما استفاده می‌کنند و خروجی آن‌ها می‌تواند به صورت آنالوگ (ولتاژ یا جریان) یا دیجیتال (از طریق پروتکل‌هایی مانند SPI، I2C یا 1-Wire) باشد. LM35 و DS18B20 نمونه‌های شناخته شده‌ای از این نوع سنسورها هستند.

مزایا:

• قیمت مناسب: معمولاً ارزان هستند.
• خطی بودن خروجی: خروجی آن‌ها نسبت به تغییرات دما خطی است.
• سهولت استفاده و راه‌اندازی: به دلیل یکپارچگی، کار با آن‌ها ساده است.
• دقت بالا: دقت خوبی را ارائه می‌دهند.

معایب:

• محدوده دمایی محدود: بازه دمایی عملکرد آن‌ها نسبتاً محدود است (معمولاً تا ۱۵۰ درجه سانتی‌گراد).
• نیاز به منبع تغذیه: برای کار کردن نیاز به تغذیه خارجی دارند.
• پدیده خود گرمایی: مستعد خود گرمایی هستند.
• سرعت پاسخ‌دهی کندتر: در مقایسه با ترمیستورها و RTDها، ممکن است سرعت پاسخگویی کمتری داشته باشند.

جدول مقایسه انواع سنسور دما

نکات مهم در انتخاب سنسور دما

انتخاب سنسور دما مناسب برای هر کاربرد صنعتی یا تجاری نیازمند در نظر گرفتن چند فاکتور کلیدی است:

1. رنج و محدوده دمای کاری: سنسور باید قادر به اندازه‌گیری دما در بازه مورد نیاز شما باشد. استفاده از سنسوری با رنج کمتر یا بیشتر از حد نیاز می‌تواند منجر به عدم دقت یا خرابی سنسور شود.
2. پایداری (Stability): برای کاربردهای بلندمدت، پایداری سنسور در طول زمان بسیار مهم است. RTDها در این زمینه عملکرد بسیار خوبی دارند.
3. دقت (Accuracy): میزان خطای مجاز در اندازه‌گیری دما تعیین‌کننده دقت مورد نیاز است. ترمیستور NTC به دلیل تغییرات بزرگ در مقاومت حتی با تغییرات کوچک دما، دقت بالایی دارد، در حالی که ترموکوپل‌ها به دلیل ولتاژ خروجی پایین، دقت کمتری دارند.
4. کاربرد خاص: نوع کاربرد نهایی (مثلاً محیط‌های خشن صنعتی، کاربردهای پزشکی، لوازم خانگی) در انتخاب نوع سنسور تاثیرگذار است. برای مثال، ترموکوپل‌ها در محیط‌های صنعتی به دلیل دوام و هزینه کمتر ترجیح داده می‌شوند، در حالی که ترمیستورهای NTC برای دماسنج‌ها و آشکارسازهای آتش مناسب‌اند.
5. اندازه و نحوه اتصال: فضای موجود و نحوه اتصال سنسور به سیستم نیز باید در نظر گرفته شود.

کاربردهای سنسورهای دما

سنسورهای دما در طیف وسیعی از صنایع و کاربردها نقش حیاتی دارند:

• صنایع فرآیندی: نظارت بر دمای سیالات در خطوط لوله، مخازن، و فرآیندهای شیمیایی، دارویی، غذایی و فولاد.
• صنعت خودرو: اندازه‌گیری دمای موتور، مایع خنک‌کننده، و هوای ورودی.
• سیستم‌های HVAC: کنترل سیستم‌های گرمایش، تهویه مطبوع و تهویه هوا در ساختمان‌های تجاری و مسکونی.
• لوازم خانگی: کنترل دمای اجاق گاز، فر، یخچال و فریزر.
• کاربردهای پزشکی و آزمایشگاهی: نظارت بر دمای بدن، داروها، تجهیزات پزشکی و محیط کشت باکتری.
• کشاورزی: اندازه‌گیری دمای خاک، هوا و آب برای بهینه‌سازی رشد محصولات.
• مدیریت انرژی: پایش دما در نیروگاه‌ها و زیرساخت‌های برق برای بهبود کارایی.

سنسورهای دما صنعتی (Industrial Temperature Sensors)

سنسورهای دمای صنعتی برای مقاومت در برابر محیط‌های خشن صنعتی طراحی شده‌اند. آن‌ها معمولاً از مواد بادوام ساخته شده و می‌توانند دماهای بالا، رطوبت، شوک و لرزش را تحمل کنند. شرکت آکام صنعت به عنوان یکی از تامین‌کنندگان برجسته تجهیزات اتوماسیون صنعتی و ابزار دقیق، انواع سنسورهای صنعتی از برندهای معتبر اروپایی مانند سنسور صنعتی  ifm و سنسور صنعتی SICK آلمان را ارائه می‌دهد. شما می‌توانید برای تهیه و خرید سنسور دما ifm و سایر محصولات مانند سنسور فشار ifm و سنسور کنترل سطح ifm با کارشناسان آکام صنعت تماس بگیرید و از مشاوره تخصصی بهره‌مند شوید. این شرکت همچنین تامین کننده سنسور لرزشی ifm و فلو ترنسمیتر ifm و فلو سوییچ ifm می‌باشد.

با انتخاب صحیح و دقیق سنسور دما متناسب با نیازهای خاص هر پروژه، می‌توان به کنترل بهینه فرآیندها، افزایش بهره‌وری و کاهش خطاهای احتمالی دست یافت. شرکت‌هایی مانند آکام صنعت با ارائه محصولات با کیفیت و مشاوره تخصصی، به شما در این انتخاب کمک می‌کنند.

سؤالات متداول 

• سنسور دما چیست؟

 سنسور دما یک ابزار الکتریکی یا الکترونیکی است که تغییرات دمایی را اندازه‌گیری کرده و آن را به یک سیگنال الکتریکی قابل فهم (مانند ولتاژ، جریان یا مقاومت) تبدیل می‌کند تا سیستم‌های کنترلی بتوانند آن را پردازش کنند.

• چرا اندازه‌گیری دما در صنعت مهم است؟

دما یکی از مهم‌ترین متغیرها در فرآیندهای صنعتی است. اندازه‌گیری و کنترل دقیق دما برای حفظ کیفیت محصول، ایمنی فرآیندها، بهینه‌سازی مصرف انرژی و جلوگیری از آسیب‌های جبران‌ناپذیر به تجهیزات و مواد ضروری است.

• دقیق‌ترین سنسور دما کدام است؟

به طور کلی، سنسورهای RTD (Resistance Temperature Detector) از دقیق‌ترین و پایدارترین سنسورهای دما محسوب می‌شوند. آن‌ها خروجی بسیار خطی دارند و برای کاربردهایی که نیاز به دقت بسیار بالا دارند، مناسب هستند، اگرچه ممکن است گران‌تر و کندتر باشند.