اندازه گیری دما با مدار مجتمع

 

اندازگیری دما در یک مجموعه با کمترین میزان خطا توسط مدار های الکترونیکی یا مدارهای مجتمع انجام می شود. که به طور معمول بوسیلۀ سه نمونه سنسور انجام می شود. LM335 دارای خروجی ۱۰ میلی ولت به ازاء هر درجه کلوین می باشد. LM34 نیز به ازاء هر درجه فارنهایت، ۱۰ میلی ولت تولید می کند. AD592 دارای جریان خروجی معادل ۱ میکرو آمپر به ازاء هر درجه کلوین می باشد.

 

  • سنسور دمای کلوین LM335

 LM335 شبیه به یک دیود زنر حساس به دما می باشد. و به صورت معکوس و در محدوده ولتاژ شکست بایاس می گردد. سه رنج مختلف موجود از سنسورهای دمای مدار مجتمع در جدول زیر ارائه شده است.

نام آی سی

رنج دمایی بر حسب سانتیگراد

کاربرد

LM135

۱۵۰+ ~ ۵۵-

نظامی

LM235

۱۲۵+ ~ ۴۰-

صنعتی

LM335

۱۰۰+ ~ ۴۰-

تجاری

 

 

چون این IC یک دیود زنر می باشد، باید یک ولتاژ بایاس معکوس و جریان زنر فراهم گردد. آزمایش های کارخانه سازنده در جریان یک میلی آمپر صورت می گیرد. این انتخاب منطقی به نظر می رسد، چون در جریان های بالاتر مشکل خود گرمایی که از توان IzVz ناشی می گردد، بیشتر ظاهر می شود و در جریان های کمتر از یک میلی آمپر دقت کاهش می یابد.

نرخ خطی LM335 برابر ۱± درجه سانتیگراد می باشد، 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 گونه ای تنظیم می گردد تا در سر وسط آن ۲/۷۳- ولت داشته باشید و پتانسیومتر ۱۰ کیلو اهمی نیز در وسط رنج آن تنظیم می گردد. سنسور در پایین ترین دما نگاه داشته و پتانسیومتر تنظیم صفر طوری تنظیم می گردد 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 می گردد. مجددأ سنسور در دو حد پایین و بالا قرار می گیرد و تنظیمات مجدد جهت حذف نیمی از خطا صورت می گیرد.

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 LM34

ولتاژ خروجی سنسور دقیق دمای LM34 بطور خطی متناسب با درجه حرارت بر حسب فارنهایت می باشد. بنابراین این یک مزیت نسبت به سنسورهای دما بر حسب كلوین می باشد، زیرا نیازی به کم کردن مقدار ثابت از ولتاژ خروجی آن جهت تبدیل به فارنهایت نمی باشد.

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 می باشد. قیمت ارزان، امپدانس خروجی کم، خروجی خطی و کالیبراسیون ذاتی دقیق، استفاده از این IC را تنها ۷۰μA می باشد و به همین دلیل اثر خودگرمایی در آن بسیار کم و در حد ۰٫۲ فارنهایت در هوای ثابت و بدون حرکت می باشد.

سنسور LM34 دارای رنج دمایی ۳۰۰+ ~ ۵۰- فارنهایت می باشد در حالیکه سنسور LM34C دارای رنج دمایی ۲۳۰+ ~ ۴۰+  فارنهایت می باشد. این IC در بسته های TO-46 و TO-92 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 می باشد، می توانید 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 می نماید. 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 سیم ها را برطرف می نماید. 

سنسور دمای LM35 نیز برای درجه سانتیگراد بکار می رود و از نقطه نظر مشخصات کاری دقیقاً شبیه به LM34 می باشد. اگر برای انتقال سیگنال به یک فاصله نسبتاً طولانی نیاز داشته باشید، مقاومت سیم تأثیری بر سیگنال جریان نخواهد داشت که در این صورت AD590 یا AD592 از Analog Device ممکن است انتخاب بهتری از LM34 که خروجی آن ولتاژ است، باشد. 

 

دقت AD590 در حدود ۰٫۵± درجه سانتیگراد در محدوده رنج دمایی از ۵۵- تا ۱۵۰+ درجه سانتی گراد می باشد. اما قیمت AD592 ارزان تر بوده و رنج دمای آن از ۲۵- تا ۱۰۵+ درجه سانتی گراد می باشد و دقت ۰٫۵± درجه سانتیگراد فقط در محدوده دمایی از ۲۵+ تا ۱۰۵+  درجه سانتی گراد می باشد و میزان خطی بودن آن ۰٫۲ درجه سانتی گراد در محدوده ۰ تا ۷۰ درجه سانتی گراد می باشد. نمونه ای از مدارات کاربردی AD590 و AD592 در شکل زیر نشان داده شده است.

 

 

                                                                           (b)                                                                                      (a)

 

در قسمت  (a) یک پتانسیومتر به تنهایی جهت تبدیل جریان به ولتاژ استفاده شده است. توسط این پتانسیومتر می توانید عمل کالیبراسیون را انجام دهید. باید مطمئن شوید که پتانسیومتر را برای دمای مورد نظر تنظیم نموده اید. این سنسورها نیز شبیه به LM335، دمای مطلق را اندازه گیری می نمایند. 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 می توانید 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 مفاهيم “سنسور حرارت” و “اندازه گیری حرارت” وجود دارد. یک دماسنج جیوهای معمولی می تواند به آسانی برای اندازه گیری دمای اتاق، یک مایع و… مورد استفاده قرار گیرد، در حالیکه نمی توانید از آن برای ثبت و کنترل دمای محیط یا شئ مورد اندازه گیری استفاده نمایید.

در مقابل یک سنسور گرما نمی تواند برای نشان دادن دمای محیطی که در آن قرار گرفته شده است به تنهایی مورد استفاده قرار گیرد. سنسورهای حرارت را می توان 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 می کند بکار می رود.

با تماس این سنسور به شئ تحت کنترل یا قرار گرفتن آن در محيط 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 شده ای است که از یک سطح یا جسم با مساحت (یا حجم) مشخص یا قابل محاسبه دریافت می گردد.

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 می گیرند.

سنسورهای حرارتی تماسی تنوع و فراوانی بسیار بیشتری نسبت به نوع غیرتماسی دارند. این سنسورها شامل: انواع ترموکوپل ها TC، مقاومتهای RTD و PRT، ترمیستورها، بی متال ها، ترمومترهای شیشه ای و انواع نیمه هادی ها شامل دیود، ترانزیستور و آی سی های اندازه گیری و کنترل دما هستند. علاوه بر موارد فوق می توان به میکرو ترموفیوزها و محافظ های 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، CPU ها و سایر اجزای گران قیمت آنها در برابر دمای بالا می شود. 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 می دهند. هرچند هنوز بکارگیری این گروه از سنسورها در صنعت به فراگیری RTD ها و ترموکوپل ها نرسیده است، اما کارآیی غیرقابل انکار آنها وقتی آشکار می شود که استفاده از انواع سنسورهای تماسی در محل مورد اندازه گیری عملا غیرممکن می شود. به عنوان مثال در صنایع ریخته گری فولاد، مس و سایر فلزات که با کوره های بزرگ مذاب سر و کار دارند، اگر چه استفاده از ترموکوپل به همراه کابل های ارتباطی دمای بالا امکان پذیر است، اما سرویس، نگهداری و تعمیرات چنین سیستم کنترلی در شرایط بهره برداری ناممکن است.

 

  •  اندازه گیرهای انبساطی

قدیمی ترین روش اندازه گیری دما، اندازه گیری انبساط یک کمیت فیزیکی مانند طول، سطح و حجم به وسیله دما می باشد. در این روش، دما به یک کمیت مکانیکی (معمولاً جابجایی) تبدیل می گردد. ترمومتر جیوه ای و الکلی مثال آشنای اندازه گیرهای انبساطی می باشند. این اندازه گیرها، دما را به جابه جایی ستون جیوه یا ستون الكل در لوله، تبدیل می کنند.

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 می کنند. اگر به دور لوله ترمومتر جیوه ای یک سیم پیچ بسته شود، آنگاه تغییرات ارتفاع ستون جیوه را می توان 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.

 

 

 

مقالات مرتبط