چگونه با مدار مجتمع دما را اندازه گیری می کنیم؟

سرویس آموزش و آزمون برق نیوز، اندازگیری دما در یک مجموعه با کمترین میزان خطا توسط مدار‌های الکترونیکی یا مدار‌های مجتمع انجام می‌شود؛ که به طور معمول بوسیلۀ سه نمونه سنسور انجام می‌شود. LM۳۳۵ دارای خروجی ۱۰ میلی ولت به ازاء هر درجه کلوین می‌باشد. LM۳۴ نیز به ازاء هر درجه فارنهایت، ۱۰ میلی ولت تولید می‌کند. AD۵۹۲ دارای جریان خروجی معادل ۱ میکرو آمپر به ازاء هر درجه کلوین می‌باشد.

سنسور دمای کلوین LM۳۳۵

LM۳۳۵ شبیه به یک دیود زنر حساس به دما می‌باشد؛ و به صورت معکوس و در محدوده ولتاژ شکست بایاس می‌گردد. سه رنج مختلف موجود از سنسور‌های دمای مدار مجتمع در جدول زیر ارائه شده است.


چون این IC یک دیود زنر می‌باشد، باید یک ولتاژ بایاس معکوس و جریان زنر فراهم گردد. آزمایش‌های کارخانه سازنده در جریان یک میلی آمپر صورت می‌گیرد. این انتخاب منطقی به نظر می‌رسد، چون در جریان‌های بالاتر مشکل خود گرمایی که از توان IzVz ناشی می‌گردد، بیشتر ظاهر می‌شود و در جریان‌های کمتر از یک میلی آمپر دقت کاهش می‌یابد.

نرخ خطی LM۳۳۵ برابر ۱± درجه سانتیگراد می‌باشد، اما بهتر است که ماکزیمم دقت در رنج اندازه گیری مورد نظر را داشته باشد. به طور ایده آل دمای صفر درجه سانتیگراد ولتاژ صفر را تولید خواهد نمود.

در ابتدا، پتانسیومتر تنظیم صفر به گونه‌ای تنظیم می‌گردد تا در سر وسط آن ۲/۷۳- ولت داشته باشید و پتانسیومتر ۱۰ کیلو اهمی نیز در وسط رنج آن تنظیم می‌گردد. سنسور در پایین‌ترین دما نگاه داشته و پتانسیومتر تنظیم صفر طوری تنظیم می‌گردد تا خطا نصف گردد.

سپس سنسور را در بالاترین دمای مورد اندازه گیری قرار داده و پتانسیومتر ۱۰ کیلو اهمی جهت حذف نیمی از خطای رنج بالا تنظیم می‌گردد. مجددأ سنسور در دو حد پایین و بالا قرار می‌گیرد و تنظیمات مجدد جهت حذف نیمی از خطا صورت می‌گیرد.

بایستی در نظر داشته باشید که جهت کالیبراسیون باید به سنسور، زمان و فرصت کافی داد تا در هر دمای جدید پایدار گردد و بعد پتانسیومتر‌ها تنظیم شوند.

سنسور دمای فارنهایت LM۳۴

ولتاژ خروجی سنسور دقیق دمای LM۳۴ بطور خطی متناسب با درجه حرارت بر حسب فارنهایت می‌باشد؛ بنابراین این یک مزیت نسبت به سنسور‌های دما بر حسب کلوین می‌باشد، زیرا نیازی به کم کردن مقدار ثابت از ولتاژ خروجی آن جهت تبدیل به فارنهایت نمی‌باشد.

این نمونه سنسور نیازی به کالیبراسیون خارجی ندارد و دارای دقت ۰٫۵± فارنهایت است و در دمای معمولی اتاق و ۱٫۵± فارنهایت در رنج کامل ۳۰۰+ ~ ۵۰- فارنهایت می‌باشد. قیمت ارزان، امپدانس خروجی کم، خروجی خطی و کالیبراسیون ذاتی دقیق، استفاده از این IC را تنها ۷۰μA می‌باشد و به همین دلیل اثر خودگرمایی در آن بسیار کم و در حد ۰٫۲ فارنهایت در هوای ثابت و بدون حرکت می‌باشد.

سنسور LM۳۴ دارای رنج دمایی ۳۰۰+ ~ ۵۰- فارنهایت می‌باشد در حالیکه سنسور LM۳۴C دارای رنج دمایی ۲۳۰+ ~ ۴۰+ فارنهایت می‌باشد. این IC در بسته‌های TO-۴۶ و TO-۹۲ ترانزیستوری وجود دارد.

برای استفاده از این سنسور مثل دیگر سنسور‌های دمای مدار مجتمع، بایستی آن‌ها را با استفاده از چسب و یا مواد مشابه به سطح مورد نظر متصل نمایید. بدین ترتیب دمای اندازه گیری شده حدودا ۰٫۰۲ فارنهایت کمتر از دمای محیط خواهد بود.

ساختار ۴۶-TO را که فلزی می‌باشد، می‌توانید به محیط مورد نظر لحیم نموده که در این صورت پایه که به بدنه سنسور متصل است بایستی به زمین مدار متصل شود.



اگر دمای زیر صفر درجه فارنهایت مدنظر باشد، بایستی از تغذیه منفی نیز استفاده نمایید. در این مدار ۳۰۰ درجه فارنهایت تولید ۳ ولت و ۵۰- درجه فارنهایت تولید ۵۰۰ میلی ولت DC می‌نماید. بعضی مواقع نیاز است که سنسور دما را چندین سانتیمتر دورتر از مدارات الکترونیکی قرار دهید، که در اینصورت بایستی توسط دو سیم سنسور را به مدار متصل نموده و سیگنال برگشتی توسط سنسور بایستی جریان باشد و نه ولتاژ، این موضوع اثر مقاومت سری سیم‌ها را برطرف می‌نماید.

سنسور دمای LM۳۵ نیز برای درجه سانتیگراد بکار می‌رود و از نقطه نظر مشخصات کاری دقیقاً شبیه به LM۳۴ می‌باشد. اگر برای انتقال سیگنال به یک فاصله نسبتاً طولانی نیاز داشته باشید، مقاومت سیم تأثیری بر سیگنال جریان نخواهد داشت که در این صورت AD۵۹۰ یا AD۵۹۲ از Analog Device ممکن است انتخاب بهتری از LM۳۴ که خروجی آن ولتاژ است، باشد.



دقت AD۵۹۰ در حدود ۰٫۵± درجه سانتیگراد در محدوده رنج دمایی از ۵۵- تا ۱۵۰+ درجه سانتی گراد می‌باشد. اما قیمت AD۵۹۲ ارزان‌تر بوده و رنج دمای آن از ۲۵- تا ۱۰۵+ درجه سانتی گراد می‌باشد و دقت ۰٫۵± درجه سانتیگراد فقط در محدوده دمایی از ۲۵+ تا ۱۰۵+ درجه سانتی گراد می‌باشد و میزان خطی بودن آن ۰٫۲ درجه سانتی گراد در محدوده ۰ تا ۷۰ درجه سانتی گراد می‌باشد. نمونه‌ای از مدارات کاربردی AD۵۹۰ و AD۵۹۲ در شکل زیر نشان داده شده است.



                                                                (a)                                              (b)


در قسمت (a) یک پتانسیومتر به تنهایی جهت تبدیل جریان به ولتاژ استفاده شده است. توسط این پتانسیومتر می‌توانید عمل کالیبراسیون را انجام دهید. باید مطمئن شوید که پتانسیومتر را برای دمای مورد نظر تنظیم نموده اید. این سنسور‌ها نیز شبیه به LM۳۳۵، دمای مطلق را اندازه گیری می‌نمایند. این بدین معنی است که اگر شما بخواهید با درجه سانتیگراد و یا کلوین کار کنید، یک مقدار زیادی ولتاژ آفست (نقطه صفر) وجود خواهد داشت.

برای از بین بردن این مورد می‌توانید از یک پتانسیومتر تنظیم صفر استفاده نمایید. قسمت (b) طریقه نصب آن را در مدار نشان میدهد. در پروسه کنترل، ثبت، اندازه گیری و نمایش حرارت یک سیستم یا شئ، اختلاف بسیار زیادی بین مفاهیم “سنسور حرارت” و “اندازه گیری حرارت” وجود دارد. یک دماسنج جیو‌های معمولی می‌تواند به آسانی برای اندازه گیری دمای اتاق، یک مایع و… مورد استفاده قرار گیرد، در حالیکه نمی‌توانید از آن برای ثبت و کنترل دمای محیط یا شئ مورد اندازه گیری استفاده نمایید.

در مقابل یک سنسور گرما نمی‌تواند برای نشان دادن دمای محیطی که در آن قرار گرفته شده است به تنهایی مورد استفاده قرار گیرد. سنسور‌های حرارت را می‌توان بطور کلی به دو گروه تماسی و غیرتماسی تقسیم کرد. سنسور تماسی یا Sensor Contact برای اندازه گیری دمای محیط که در واقع دمای خودش را اندازه گیری می‌کند بکار می‌رود.

با تماس این سنسور به شئ تحت کنترل یا قرار گرفتن آن در محیط تحت اندازه گیری، تعادل گرمایی بین سنسور و محیط ایجاد میشود. در این حالت جریان گرما یا Heat Flow بین محیط و سنسور وجود ندارد. در سنسور‌های حرارتی غیرتماسی توان حرارتی که سنجیده میشود، مادون قرمز یا نور متصاعد شده‌ای است که از یک سطح یا جسم با مساحت (یا حجم) مشخص یا قابل محاسبه دریافت می‌گردد.

علاوه بر این، روش‌های پیشرفته ترموگرافی با تصویر برداری از اجسام و تجزیه و تحلیل تصاویر دریافتی که قادر به اندازه گیری دقیق دمای اجزای مختلف جسم است نیز در زمره سنسور‌های حرارتی غیرتماسی قرار می‌گیرند.

سنسور‌های حرارتی تماسی تنوع و فراوانی بسیار بیشتری نسبت به نوع غیرتماسی دارند. این سنسور‌ها شامل: انواع ترموکوپل‌ها TC، مقاومت‌های RTD و PRT، ترمیستورها، بی متال ها، ترمومتر‌های شیشه‌ای و انواع نیمه هادی‌ها شامل دیود، ترانزیستور و آی سی‌های اندازه گیری و کنترل دما هستند. علاوه بر موارد فوق می‌توان به میکرو ترموفیوز‌ها و محافظ‌های حرارتی نیمه هادی نیز اشاره کرد.

یک قطع کننده حرارتی از نوع ترموفیوز در بسیاری از مدار‌های مجتمع مدرن، مادربورد‌ها و سیستم‌های پیشرفته الکترونیکی باعث بالاتر رفتن حفاظت چیپ ها، CPU‌ها و سایر اجزای گران قیمت آن‌ها در برابر دمای بالا می‌شود. ترموسنسور‌های غیرتماسی نیز شامل ترمومتر‌های IR (مادون قرمز) و لیزری، تصویربرداری حرارتی و انواع طیف سنج‌های نوری است.

بطور کلی این دسته از سنسور‌های حرارتی بر مبنای قابلیت طیف منتشر شده، اندازه گیری را صورت می‌دهند. هرچند هنوز بکارگیری این گروه از سنسور‌ها در صنعت به فراگیری RTD‌ها و ترموکوپل‌ها نرسیده است، اما کارآیی غیرقابل انکار آن‌ها وقتی آشکار می‌شود که استفاده از انواع سنسور‌های تماسی در محل مورد اندازه گیری عملا غیرممکن می‌شود. به عنوان مثال در صنایع ریخته گری فولاد، مس و سایر فلزات که با کوره‌های بزرگ مذاب سر و کار دارند، اگر چه استفاده از ترموکوپل به همراه کابل‌های ارتباطی دمای بالا امکان پذیر است، اما سرویس، نگهداری و تعمیرات چنین سیستم کنترلی در شرایط بهره برداری ناممکن است.



اندازه گیر‌های انبساطی

قدیمی‌ترین روش اندازه گیری دما، اندازه گیری انبساط یک کمیت فیزیکی مانند طول، سطح و حجم به وسیله دما می‌باشد. در این روش، دما به یک کمیت مکانیکی (معمولاً جابجایی) تبدیل می‌گردد. ترمومتر جیوه‌ای و الکلی مثال آشنای اندازه گیر‌های انبساطی می‌باشند. این اندازه گیرها، دما را به جابه جایی ستون جیوه یا ستون الکل در لوله، تبدیل می‌کنند.

در بسیاری از موارد برای استفاده از مزایای کمیت‌های الکتریکی، کمیت اندازه گیری شده مثلا تغییر ارتفاع جیوه در لوله را به یک کمیت الکتریکی تبدیل می‌کنند. اگر به دور لوله ترمومتر جیوه‌ای یک سیم پیچ بسته شود، آنگاه تغییرات ارتفاع ستون جیوه را می‌توان به تغییرات ضریب خود القائی سیم پیچ تبدیل نمود و با استفاده از مدارات واسط دیگر، دمای اندازه گیری شده را به یک کمیت الکتریکی تبدیل کرد.