سنسورهای دما و کاربرد آن در صنایع غذایی

اصطلاح سنسور دما به دسته ای از دستگاه ها اطلاق می شود که اندازه گیری دمای اجسام را انجام می دهند و یا مستقیماً یک قرائت را نمایش می دهند یا یک سیگنال خروجی تولید می کنند که مقدار آن را می توان به یک خوانش دما تبدیل کرد. دما یک اندازه گیری اساسی انرژی حرارتی است و می توان آن را اندازه گیری متوسط ​​انرژی جنبشی اتم ها و مولکول های یک ماده در نظر گرفت. انواع مختلفی از سنسورهای دما برای کاربردهای صنعتی وجود دارد. این مقاله انواع مختلف سنسورهای دما را بررسی می کند و اطلاعاتی در مورد نحوه عملکرد و کاربردهای آنها ارائه می دهد.

انواع سنسورهای دما

سنسورهای دما عموماً به یکی از انواع زیر تقسیم می شوند:

• ترموکوپل
• RTDs  (آشکارسازهای دمای مقاومت)
• سنسورهای حرارتی ترمیستور
• سنسورهای دما نیمه هادی
• دماسنج ها
• سنسورهای دمای ارتعاشی سیم

اکثر این موارد (به استثنای سنسورهای مادون قرمز) سنسورهای تماس هستند، به این معنی که سنسور یا پروب باید به طور فیزیکی با جسمی که دمای آن در حال اندازه گیری است تماس بگیرد تا بتواند قرائت کند. سنسورهای مادون قرمز انرژی حرارتی تابیده از جسم را برای تعیین دمای آن اندازه گیری می کنند و بنابراین سنسورهای غیر تماسی هستند.

به استثنای برخی از انواع دماسنج ها، اکثر سنسورهای دما برای تولید خروجی سیگنال الکتریکی طراحی شده اند که برای تعیین مقدار دما استفاده می شود.

ترموکوپل

ترموکوپل ها دما را با استفاده از کاوشگر ساخته شده از اتصال دو فلز مختلف به یکدیگر برای ایجاد اتصال در یک انتها و ولت متر در انتهای دیگر به آن متصل می کنند. انتهای پروب به نام اتصال داغ (جایی که فلزات به هم متصل هستند) برای تماس با جسمی که دمای آن در حال اندازه گیری است استفاده می شود، در حالی که انتهای دیگر کاوشگر به نام اتصال سرد در دمای مرجع نشسته است. تفاوت احتمالی در ولت های ثبت شده بر روی ولت متر وجود خواهد داشت که مقدار آن متناسب نشان دهنده اختلاف دما بین اتصالات گرم و سرد ترموکوپل است.

اکثر ترموکوپل ها در یک غلاف محافظ پوشانده شده اند تا فلزات را از دمای محیط جدا کرده و تا حدی در برابر خوردگی محافظت کنند. مواد غلاف شامل 1316 فولاد ضد زنگ ، 304 فولاد ضد زنگ ، یا Inconel 600 به عنوان نمونه است.

بسته به فلزات خاصی که برای ساخت ترموکوپل استفاده می شود، یک نوع حروف مانند نوع J ، K ، T ، N ، E ، B ، R  یا S. به دستگاه ها اختصاص داده می شود. مقاومت در برابر ارتعاش، سازگاری شیمیایی و کاربردها ترموکوپل های فلزی پایه از انواع J ، K ، T و E هستند و رایج ترین آنها هستند. به اصطلاح ترموکوپل های فلزی نجیب از انواعR ،S  و B  هستند. جدول 1 انواع مختلف ترموکوپل ها و ترکیب فلز آنها را نشان می دهد.

جدول 1 - انواع ترموکوپل و ترکیب فلزی

اتصالات ترموکوپل در چندین سبک موجود است که رایج ترین آنها ترموکوپل های زمینی است. در این سبک ترموکوپل، هر دو سیم فلزی و غلاف با هم جوش داده می شوند تا یک اتصال واحد در نوک پروب ایجاد شود. این امر منجر به زمان پاسخ بسیار سریع می شود زیرا به دلیل اتصال حرارتی خوب، مبادله حساسیت بیشتری نسبت به تداخل الکتریکی دارد زیرا سیم غلاف و ترموکوپل به هم متصل شده و مسیر بیشتری را به دستگاه منتقل می کند. در ترموکوپل های بدون پایه غلاف به سیم های ترموکوپل جوش داده نشده است اما با استفاده از یک عایق جدا شده اند. به اصطلاح ترموکوپل های سیم برهنه سیم ترموکوپل را مستقیماً در پروب قرار می دهد، که زمان پاسخ سریع را برای دستگاه فراهم می کند اما همچنین خطر خوردگی و تخریب دستگاه ناشی از اتصال در معرض را افزایش می دهد.یک ترموکوپل غیر زمینی غیر معمول آن است که در آن از یک ترموکوپل دوگانه با غلاف جدا شده از سیم های ترموکوپل استفاده می شود و هر ترموکوپل از دیگری نیز جدا شده است. 

RTDs  (آشکارسازهای دمای مقاومت)

آشکارسازهای دمای مقاومتبه اختصارRTDs ، سنسورهای دما هستند که از تغییر مقاومت الکتریکی که در یک ماده رسانا رخ می دهد برای تعیین مقدار دما استفاده می کنند. هادی های الکتریکی مانند فلز، مقاومت الکتریکی از خود نشان می دهند که معیاری از سهولت نسبی جریان الکتریکی از طریق رسانا در هنگام اعمال ولتاژ یا اختلاف پتانسیل است. با تغییر دما، مقاومت الکتریکی که در اهم اندازه گیری می شود نیز تغییر می کند و دماهای بالاتر منجر به افزایش مقاومت می شود. RTD ها از یک عنصر مقاومتی تشکیل شده اند که از طریق آن یک جریان الکتریکی کوچک، معمولاً در محدوده 1-5 میلی آمپر عبور می کند و مقاومت اندازه گیری می شود. هرگونه تغییر دما، مقدار مقاومت اندازه گیری شده را تغییر می دهد،که با دانستن خواص مواد مورد استفاده برای عنصر مقاومتی می توان آن را با مقدار دما برابر دانست. پلاتین یک فلز انتخابی است که در RTD ها استفاده می شود به دلیل این واقعیت که بسیار پایدار است، از نظر شیمیایی بی اثر است، می تواند در طیف وسیعی از دما عمل کند و بین خط مقاومت و دما رابطه خطی بسیار قوی از خود نشان می دهد. این ویژگی اخیر، فرآیند تبدیل مقاومت الکتریکی به خوانش دما را ساده می کند. سایر انتخابها برای عناصر مقاومتی در RTD ها شامل نیکل و مس است. مواد مورد استفاده در RTD ها با ضریب دمای مقاومت آنها (TCR) مشخص می شود، که معیاری برای چگونگی تغییر مقاومت الکتریکی مواد نسبت به تغییر درجه حرارت است. فلزات و مواد رسانای الکتریکی مقدار مثبت TCR را نشان می دهند، در حالی که نیمه رساناها و مواد غیر فلزی TCR منفی را نشان می دهند، به این معنی که با افزایش دما مقاومت کمتری دارند.

RTD ها معمولاً به صورت فیلم نازک یا نوع سیم پیچ ساخته می شوند RTD های فیلم از پلاتین استفاده می کنند که روی یک صفحه سرامیکی که در شیشه قرار دارد، پوشانده شده است، در حالی که RTD های سیم پیچ شده از سیم پلاتینی استفاده می کنند که در اطراف یک هسته سرامیکی پیچیده شده و با محفظه شیشه ای مهر و موم شده است. پیکربندی های مختلف سیم کشی سنسور با RTD ها، به طور کلی 2 سیم، 3 سیم یا 4 سیم استفاده می شود. استفاده از 2 سیم یک آرایش ساده را ارائه می دهد اما با توجه به این که مقاومت سیم ها را نمی توان از مقدار مقاومت اندازه گیری شده جدا کرد، از دقت رنج می برد. پیکربندی 3 سیم اجازه می دهد تا دو اندازه گیری جداگانه انجام شود، و اجازه می دهد تا تاثیر مقاومت سیم را از اندازه گیری مقاومت کل کم کرده و مقدار مقاومت خالص را ارائه دهد. پیکربندی 4 سیم اجازه می دهد تا اندازه گیری مستقیم مقاومت سنسور انجام شود ،به استثنای ضربه سیم های سربی. یک آرایش پل Wheatstone معمولاً برای انجام اندازه گیری مقاومت مربوط به RTD ها برای تعیین مقادیر دما استفاده می شود.

سنسورهای حرارتی ترمیستور

ترمیستورها، دستگاه های سنجش دما هستند که از ویژگی تغییر مقاومت الکتریکی ناشی از دما به عنوان وسیله ای برای اندازه گیری مقدار دما استفاده می کنند. این دستگاههای غیرفعال تغییر دقیقی در مقاومت الکتریکی خود نشان می دهند که متناسب با تغییرات دمای دستگاه است. دو نوع ترمیستور وجود دارد: ترمیستورهای ضریب دمای منفی (NTC) و ترمیستورهای ضریب دمای مثبت (PTC).

ترمیستورهای ضریب دمای منفی (NTC) آنهایی هستند که مقاومت آنها با افزایش دما کاهش می یابد، در حالی که ترمیستورهای ضریب دمای مثبت (PTC) با افزایش دما مقاومت الکتریکی را نشان می دهند. ترمیستور NTC بیشتر در برنامه های سنجش دما مورد استفاده قرار می گیرد، در حالی که ترمیستور PTC در برنامه های حفاظتی مدار الکتریکی مانند محدود کردن جریان های هجوم یا محافظت در برابر ولتاژ برای مدار یا دستگاه استفاده می کند.

ترمیستورها در انواع مختلفی از مواد، بسته ها و اشکال از جمله دیسک، تراشه در دسترس هستند، مهره یا میله بسته به نیاز به محدوده دمای کارکرد و زمان پاسخگویی. آنها را می توان در رزین اپوکسی، شیشه، فنولیک پخته یا رنگ آمیزی بسته بندی یا کپسوله کرد. به طور کلی، آنها سنسورهای دمای کوچک و کم هزینه ای هستند که زمان پاسخ سریع را در محدوده دمای محدود کار ارائه می دهند. آنها همچنین تغییر مقاومت بیشتری در واحد تغییر دما دارند، بنابراین حساسیت و دقت بیشتری را در قرائت ارائه می دهند. محدودیت های ترمیستورها این است که بر خلاف RTD ها دارای منحنی های واکنش غیر خطی دما هستند و اگر جریانهای تحریک بیش از حد زیاد باشند، خود گرم می شوند. آنها همچنین محدوده دمایی محدودی دارند و در دماهای بالاتر ناپایدار می شوند. منحنی های دما نیز از سازنده ای به تولیدکننده دیگر متفاوت است و قابلیت تعویض را پیچیده می کند.

برنامه های کاربردی برای ترمیستورها شامل هوافضا، لوازم خانگی ، خودرو، ارتباطات، HVAC، ابزار دقیق، پزشکی، نظامی و تبرید است.

سنسورهای دما نیمه هادی

سنسورهای دمای نیمه هادی، که گاهی اوقات سنسورهای دمای حالت جامد نیز نامیده می شوند، سنسورهای دمایی هستند که به صورت مدار کوچک مجتمع (SOIC) یا سایر سبک های بسته مانند TO-223 ساخته می شوند و سپس می توانند بر روی برد مدار چاپی (PCB) نصب شوند. دستگاهها از دیودهای نیمه هادی یا ترانزیستورهایی استفاده می کنند که ویژگی های جریان ولتاژ آنها وابسته به دما است.

انواع اصلی سنسورهای دما نیمه هادی عبارتند از:

• سنسورهای دمای خروجی ولتاژ
• سنسورهای دمای خروجی فعلی
• سنسورهای دما خروجی دیجیتال
• سنسورهای دمای خروجی مقاومت
• سنسورهای دما دیود

این نوع سنسورهای دما دارای خطی نسبتاً خوبی با خروجی خود با دما هستند و می توانند دقت معقولی را در قرائت هایی در محدوده خود ارائه دهند به شرط اینکه به درستی کالیبره شوند. با این حال ، محدوده دمای محدودی دارند و برای اندازه گیری دمای بالا مناسب نیستند.

دماسنج ها

دماسنج ها قدیمی ترین و آشنا ترین شکل سنسور دما در صنعت و خانوارها مورد استفاده هستند. دماسنج ها انواع مختلفی دارند که یکی از شناخته شده ترین آنها دماسنج مایع است. این نوع دماسنج شامل لوله ای است که معمولاً از شیشه ساخته شده و حاوی مایعی مانند الکل یا جیوه است که حجم آن متناسب با دما تغییر می کند. لوله در مقیاسی کالیبره شده است تا دما را مستقیماً در مقیاسهای فارنهایت یا سانتیگراد نشان دهد. انواع مختلف مانند دستی، جیبی و مشکی یا قرمز رنگ مایع خواندن در دسترس است.

یکی دیگر از انواع دماسنجها از سیم پیچ دو فلزی استفاده می کنند که با صفحه سوزنی به صفحه وصل شده و برای اندازه گیری دما درجه بندی می شود. هر فلز مورد استفاده در نوار دو فلزی دارای ضریب انبساط حرارتی متفاوتی با دما است که در نتیجه تغییر دما باعث پیچ خوردگی و سیم پیچ شدن سیم پیچ می شود. این حرکت دوار سوزن را در مقابل صفحه قرار می دهد تا میزان دمای فعلی را منعکس کند.

دماسنج های مادون قرمز دماسنج های الکترونیکی غیر تماسی هستند که بر خلاف خواندن مقیاس آنالوگ قرائت دیجیتال دما را نمایش می دهند . این دستگاهها میزان تابش جسم سیاه را که توسط جسم ساطع می شود حس می کنند و آن سطح تابش را به اندازه گیری دما تبدیل می کنند. دماسنج انرژی را از طریق یک لنز روی یک ترموپایل متمرکز می کند که خروجی الکتریکی متناسب با میزان گرمای جذب شده تولید می کند. دماسنج های مادون قرمز می توانند ضبط کنند و ارزشها را ذخیره کنید، برای زمان امن مفید است و روشها را کارآمدتر می کند. دماسنج مادون قرمز برای ثبت دمای بیمار در مناطقی مانند پرده گوش (پرده گوش) که برای استفاده از دماسنج تماسی استاندارد بسیار حساس است، استفاده می شود. همچنین برای آتش نشانان بسیار ارزشمند است زیرا می توانند درجه حرارت دیوارها را برای ارزیابی نحوه گسترش آتش بدون نیاز به تکه تکه شدن دیوار برای بازرسی فیزیکی یا بررسی نقاط داغ در ساختمان در حال سوختن، ارزیابی کنند. این واقعیت که دستگاه می تواند قرائت ها را به صورت غیر تماسی انجام دهد به این معنی است که دستگاه ها در برنامه هایی که تماس مستقیم برای پرسنل یا تجهیزات خطرناک است نیز مفید هستند.

گرچه دماسنج ها مفید هستند، اما با توجه به این که بسیاری از مدل ها نیاز به عملکرد دستی دارند، سرعت ضبط و بازیابی آنها بسیار کم است، بسیار دقیق نیستند و محدوده دمایی محدودی برای اندازه گیری قرائت دارند. علیرغم این محدودیت ها ، مدل های مختلفی از دماسنج ها در بازار وجود دارد و در موارد مختلف کاربرد دارند، از جمله:

• کشاورزی و لبنیات 
• تهویه مطبوع
• لوازم خانگی
• آکواریوم ها
• پخت و پز
• دیگهای بخار و کوره
• آب نبات سازی
• کنسرو کردن
• قنادی
• آزمایش میوه
• گلخانه ها
• پد های گرمایش
• آزمایشگاه ها
• پایش تب بیماران پزشکی و بالینی
• نیروگاهها
• ماشین های یخچال راه آهن و سردخانه
• استخرهای شنا (ثابت و شناور)
• دامپزشکی

سنسورهای دمای ارتعاشی سیم

سنسورهای دمای سیم ارتعاشی از یک سیم مغناطیسی با مقاومت کششی بالا تشکیل شده است که بین آن کشیده شده و انتهای آن به فلزی غیر متصل است. کشش موجود در سیم مستقیماً تحت تأثیر دما قرار می گیرد. با تغییر دما، کشش سیم تغییر می کند، که فرکانس تشدید طبیعی سیم معلق را تغییر می دهد. فرکانس متناسب با دما است و می توان از آن برای تعیین دمای سنسور استفاده کرد. برای اندازه گیری دمای آب، خاک و سازه های بتونی از سنسورهای ارتعاشی سیم استفاده می شود.