اندازه گیری دما با مقاومت حرارتی

 

یکی از روش های اندازه گیری دما استفاده از روش اندازه گیری دما با مقاومت حرارتی است. اساس کار این روش تبدیل تغییرات درجه حرارت به تغییرات مقاومت الکتریکی است. مقاومت حرارتی یا ترمیستور نوعی مقاومت متغیر است که مقاومت الکتریکی آن به نسبت به مقاومت های استاندارد وابستگی بیشتری به دما دارد. درصد تغییرات مقاومت یک ترمیستور در اثر یک درجه تغییر دما، چیزی در حدود ۳ الی ۵ درصد است. 

همانطور که می دانید مقاومت الکتریکی یک جسم از رابطه (R=ρ (L/A محاسبه می شود. در این رابطه، L طول جسم، A سطح مقطع و ρ مقاومت مخصوص جسم است که به ویژگی های ذاتی جسم و دمای آن بستگی دارد. با ثابت بودن سایر پارامترها در صورتی که دمای جسم تغییر کند، مقاومت الکتریکی آن تغییر خواهد کرد.

 

اندازه گیری دما با مقاومت حرارتی

 

  • انواع مقاومت حرارتی

انواع مقاومت حرارتی به دو دسته تقسیم می شوند.

  • مقاومت حرارتی با ضریب حرارتی مثبت (PTC)
  • مقاومت حرارتی با ضریب حرارتی منفی (NTC)
شمای فنی ترمیستور PTC
شمای فنی ترمیستور PTC

 


برای پشتیبانی فنی با شرکت الیکا الکتریک تماس بگیرید: 

۰۳۱-۳۲۶۶۴۵۵۰

۰۳۱-۳۲۶۶۳۸۳۶

۰۳۱-۳۲۶۶۳۸۳۷


 

  • ترمیستور PTC

ترمیستور PTC از مواد سرامیکی چندکریستالی با ضریب حرارتی مثبت بالا ساخته شده است. در اندازه گیری دما با ترمیستور PTC یا Positive Temperature Coefficient، مقاومت الکتریکی با افزایش دما افزایش و با کاهش آن، کاهش می یابد. یعنی با اندازه گیری مقاومت ترمیستور دما بدست می آید از فلزات به عنوان عناصر PTC استفاده می شود، اما مقاومت الکتریکی آنها کم است. بنابراین برای آشکارسازی تغییرات مقاومت الکتریکی باید اندازه مقاومت فلز نسبتا بزرگ باشد، به همین دلیل با ساخت مقاومت به صورت سیم پیچ طول آن افزایش یافته و مقاومت بزرگی می سازد.

مقاومت حرارتی PTC
                ترمیستور PTC
  • پل وتسون

برای آشکارسازی تغییرات مقاومت معمولا مولتی متر دیجیتال استفاده می شود. اما برای اندازه گیری مقاومت های کوچک هنوز استفاده از مدار پل وتسون کاربرد دارد. مدار پل وتسون از چهار مقاومت که به صورت سری و موازی به یکدیگر متصل شده اند تشکیل می شود. شکل زیر مدار پل وتسون را نشان می دهد.

پل وتسون
                             پل وتسون

در مدار پل وتسون در صورتی که ضرب مقاومت های روبه رو با هم مساوی باشد ولتاژ دو نقطه C و D با هم مساوی می شوند. در این حالت پل وتسون در تعادل است. برای اندازه گیری مقاومت می توان بین دو نقطه C و D یک ولت متر قرار داد. با معلوم بودن ولتاژ R1 و R2 مطابق شکل زیر و مقاومت متغیر R3، می توان مقدار مقاومت RX را بدست آورد. برای اینکار میزان مقاومت R3 را تغییر می دهیم تا ولتاژ Vout برابر صفر شود. در این صورت تنها مجهول مقاومت RX است که با استفاده از رابطه پل وتسون در حالت تعادل بدست می آید.

عملکرد مدار پل وتسون
                    عملکرد مدار پل وتسون

 

برای بررسی تغییرات دما در ترمیستور PTC کافی است مقاومت ترمیستور را جایگزین مقاومت مجهول کنیم و مقاومت R3 به گونه ای تنظیم کنیم که در دمای صفر درجه سانتیگراد عقربه ولت متر صفر را نشان دهد. با افزایش دما، عقربه ولتمتر در جهت مثبت (دمای بالاتر از صفر) و با کاهش دما، عقربه ولت متر در جهت منفی(دمای پایین تر از صفر) منحرف می شود. این انحراف بعنوان درجه حرارت معرفی می گردد. در شکل زیر، مشخصه تغییرات مقاومت چند فلز معروف نسبت به درجه حرارت آمده است.

 

مشخصه تغییرات دما بر اساس نوع فلز

 

  • انواع ترمیستور PTC  تجاری

    • سیلیستور

در سیلیستور ها (Silistor) منحنی عملکرد مقاومت-دما تقریبا به صورت خطی با شیبی است که در بیشتر کاربردها بسیار کم است (به منحنی عملکرد ترمیستور PTC مراجعه کنید). این شیب در ضریب دمایی منفی در دمایی بالای ۱۵۰ درجه سانتی گراد نمایش داده شود. سیلیستور ضریب دمایی در حدود ۰٫۷ تا ۰٫۸ درصد درجه سانتی گراد دارد.

    • سوئیچینگ یا کلید زنی

در ترمیستور سوپیچینگ یا کلید زنی (PTC Switching) همانطور که در منحنی عملکرد آن مشخص است تا نقطه Rmin، ضریب دما کمی منفی است. بعد از این نقطه ضریب دما تا حدی مثبت می شود تا به دمای انتقال یعنی Tc برسد. به این دما، دمای کلید زنی، انتقال یا Curie گفته می شود. در این دما مقاومت ترمیستور PTC سوپیچینگ یا کلید زنی با شیب زیادی افزایش می یابد. دمای Curie به دمایی گفته می شود که در آن دما مقاومت دوبرابر Rmin باشد.

Rmin نقطه ای است که در آن ضریب دما مثبت می شود.

R25 مقاومتی است که ترمیستور PTC در دمای ۲۵ درچه سانتی گراد داد. این مقاومت با جریان پایین اندازه گیری می شود.

 

منحنی عملکرد ترمیستور PTC
                                             منحنی عملکرد ترمیستور PTC

 

 

  • کاربرد مقاومت حرارتی  PTC

این نوع ترمیستور ها به عنوان به علت حساسیت به دما، به عنوان سنسور مورد استفاده قرار می گیرند در ادامه کاربرد مقاومت حرارتی PTC معرفی می شوند:

  • هیترهای خود تنظیم

در مقاومت حرارتی PTC دمای ترمیستور بر اساس جریان عبوری به طور خودکار تنظیم می شود. وقتی در هیتر ها دما کاهش پیدا کند، مقاومت نیز با دما کم می شود و جریان عبوری از ترمیستور PTC افزایش می یابد و هیتر گرم می شود. به طور مشابه اگر دما افزایش یابد مقاومت ترمیستور نیز با دما افزایش یافته و جریان عبوری کم می شود. در نتیجه هیتر خنک می شود.

هیتر های خود تنظیم ترمیستور PTC

  • محافظت در برابر اضافه جریان

از مقاومت حرارتی PTC در بسیاری از مدارها برای محافظت در برابر اضافه جریان استفاده می شود. در صورتی که اضافه جریان در مدار اتفاق بیفتد دمای بدنه ترمیستور PTC افزایش یافته و مقاومت آن به شدت بالا می رود و جریان را محدود می کند. وقتی مشکل در مدار برطرف شود و مقاومت حرارتی خنک گردد مدار دوباره به عملکرد عادی خود ادامه می دهد. برای این کاربرد عموما از ترمیستورهای پلمیری استفاده می شود.

ترمیستور محافظت در برابر اضافه جریان

  • تاخیر زمانی

تاخیر زمانی مورد نیاز برای یک مدار می تواند با استفاده از مقاومت حرارتی PTC و مدت زمان مورد نیاز برای گرم شدن مقاومت و رسیدن به حالت مقاومت بالا در ترمیستور تامین شود. برای مثال از ترمیستور PTC در لامپ های فلورسنت استفاده می شود. در ابتدای کار وقتی ولتاژ به لامپ فلورسنت اعمال می شود، ترمیستور PTC خنک است و ولتاژ لامو کمتر از ولتاژ راه انداز لامپ است. جریان عبوری از مدار، الکترود ها و ترمیستور را گرم می کند. وقتی ترمیستور به دمای بالاتری رسید، تغییر حالت می دهد و ولتاژ لامپ به ولتاژ راه انداز می رسد و روشن می شود. 

  • راه اندازی موتور

بعضی موتور های الکتریکی سیم پیچ راه اندازی جداگانه ای دارند که فقط باید در طول راه اندازی برق رسانی شود. در این شرایط از خاصیت گرم کنندگی خودکار ترمیستور های PTC که به صورت سری با سیم پیچ قرار گرفته اند استفاده می شود. وقتی مدار روشن شود، ترمیستور مقاومت کمی دارد و اجازه عبور جریان به سیم پیچ راه انداز را می دهد. وقتی موتور شروع به کار کرد مقاومت حرارتی گرم می شود و مقاومت آن بالا می رود و جریان عبوری از آن بسیار کم می شود و عملا مدار راه انداز از موتور جدا می شود.

بنابراین از مقاومت حرارتی برای حفاظت حرارتی وسایل سیم پیچی شده مانند موتورها و ترانسفورماتورها بکار استفاده می شود. در عمل  PTC ها در داخل سیم پیچ وسیله برقی جاسازی شده و با منبع تغذیه به صورت سری قرار می گیرند.

 

  • ترمیستور NTC

در ترمیستور NTC یا Negative Temperature Coefficient مقاومت الکتریکی با افزایش دما کاهش و با کاهش آن،افزایش می یابد. ترمیستور های امروزی می توانند دماهای پایین حدود ۱۰۰ تا دماهای بالا حدود ۵۰۰+ را اندازه گیری کنند. 

شبیه به RTD، ترمیستور نیز یک مقاومت حساس به دما است. در حالیکه ترموکوپل متنوع ترین سنسور دما ,RTD پایدارترین سنسور دما می باشد، ترمیستور حساس ترین سنسور دما می باشد. ترمیستور بیشترین تغییرات نسبت به دما را از خود نشان می دهد. ترمیستور ها معمولا از مواد نیمه هادی تشکیل شده اند. 

ترمیستور NTC
                                                           ترمیستور NTC
  • مزایا و معایب مقاومت حرارتی 

اغلب ترمیستورها دارای ضریب حرارتی منفی هستند؛ این بدین معنی است که مقاومت آنها با افزایش دما کاهش پیدا می کند. این ضریب تا چندین درصد به ازاء هر درجه سانتیگراد می باشد و در نتیجه ترمیستور قابلیت اندازه گیری کوچکترین تغییرات دما را دارد.

بهایی که برای این افزایش حساسیت پرداخت می شود، بازاء از دست دادن خطی بودن آن است. ترمیستور یک وسیله اندازه گیری شدیدأ غیرخطی است که به پارامترهای پروسه مورد اندازه گیری وابسته است. به همین دلیل سازندگان ترمیستور آن طوری که منحنیهای RTD و ترموکوپل استاندارد شدهاند، آنها را استاندارد نکرده اند.

تلاش فراوانی صورت گرفته است تا ترمیستور دارای مشخصه خطی تر باشد. روشهایی مبتنی بر اضافه کردن مقاومتهایی که مشخصه ترمیستور را خطی نماید تحت عناوین دوسیمه یا چهار سیمه از آن دسته می باشند. اما با روشهای مدرن ثبت اطلاعات با استفاده از میکروکنترلرها، دیگر نیازی به این روشهای سخت افزاری نمی باشد.

 مقاومت بالای ترمیستور مزیت بزرگی برای آن به حساب می آید و برای اندازه گیری، مشکلاتی که به عنوان مثال با RTD  داشتید وجود ندارد. یک ترمیستور با مقاومت ۵۰۰۰ اهم در ۲۵ درجه سانتیگراد و ضریب حرارتی ۴٪ بازاء هر درجه سانتیگراد، حتی اگر مقاومت سیمهای ارتباطی ۱۰ اهم باشد، خطای مربوط به این مقاومت حدود ۰٫۰۵ درجه سانتیگراد می باشد، که این خطا در مقایسه با یک RTD، پانصد برابر کوچکتر می باشد.

چون ترمیستور از نیمه هادی ساخته میشود در دماهای خیلی بالا نسبت به ترموکوپل و RTD  نیاز بیشتری به کالیبراسیون مجدد دارد؛ به همین دلیل از ترمیستور تنها برای چند صد درجه سانتیگراد استفاده میشود. ترمیستور را می توان خیلی کوچک ساخت که به همین دلیل سرعت پاسخ آنها به تغییرات دما زیاد خواهد بود. به دلیل حجم کوچک آنها، خطای کمتری ناشی از اثر خود گرمایی در ترمیستورها به وجود می آید. ترمیستورها نسبت به ترموکوپل و RTD  آسیب پذیرتر هستند و در نصب و استفاده از آنها باید دقت بیشتری به خرج داد.

 


بیشتر بخوانید:

روش های اندازه گیری دما

اندازه گیری دما با فشار سنج

اندازه گیری دما با سنسور

اندازه گیری دما با مدار مجتمع

دستگاه های اندازه گیری الکتریکی

 

در صورتی که سوالی در خصوص مطالب بیان شده دارید می توانید در قسمت نظرات از ما بپرسید یا با ارائه پیشنهادات خود، ما را در بالا بردن کیفیت مقالات یاری کنید. 

مقالات مرتبط

نظرات