تحقیق مقاله سنسور های دما و ترانسیدیو سر های حرارتی

4-1 گرما ودما

کمیت فیزیکی که ما آن را گرما می نامیم یکی از اشکال مختلف انرژی است و مقدار گرما معمولا برحسب واحد ژول سنجیده میشود.مقدار گرمایی که در یک شی موجوداست قابل اندازه گیری نمی باشد اما می توان تغییرات گرمای موجود در یک شی که بر اثر تغییر دما و یا تغییر در حالت فیزیکی (جامد به مایع، مایع به گازف یک شکل کریستالی به شکل کریستالی دیگر) ایجاد میشود اندازه گیری کرد.

بنابراین از این جنبه دما میزان گرما برای ماده است تاوقتی که حالت فیزیکی آن بدون تغییر باقی بماند.

ارتباط بین دما و انرژی گرمایی بسیار شبیه به ارتباط بین سطح ولتاژ وانرژی الکتریکی است.

سنسورهای دمای رایج تماما وابسته به تغییراتی هستند که همراه با تغییرات دمای ماده به وجود می آید. ترانسیدیوسرهای انرژی الکتریکی به انرژی گرمای جریان عبوری از یک هادی استفاده می کنند اما ترانسدیوسرهای گرمایی به انرژی الکتریکی به طور مستقیم این تبدیل را انجام نمی دهند ومطابق با قوانین ترمودینامیک نیازمند تغییرات دمایی برای عمل کردن هستند بدین گونه که در دمای بالاتر گرما می گیرد و در دمای پایین تر این مقدار گرما را تخلیه می کند.

4-2 نوار بی متال

آشکارسازی حرارتی در موارد متنوعی مانند آشکار کردن آتش سوزی، گرمایش تا یک حد معین ویا تشخیص عیب در یک سردکننده مورد استفاده قرار می گیرد .ساده ترین نوع سنسور حرارتی از نوع بی متال استکه اصول کار آن در شکل به تصویر کشیده شده است. ترکیب فوق شامل دو نوار فلزی از دو جنس مختلف است که با نقطه جوش و یا پرچ کردن در دو نقطه به یکدیگر متصل شده اند. جنس فلز دو نوار به گونه ای انتخاب می شود که ضرایب انبساطی خطی آنها با یکدیگر تفاوت زیادی داشته باشند. مقدار انبساط یا ضریب انبساط خطی عبارت است از خارج قسمت تغییر مقدار طول به تغییر دما و این مقدار برای همه فلزات مقداری است مثبت بدین معنی که با افزایش دما طول نوار افزایش می یابد. مقادیر ضریب انبساط را برای چند نوع فلز بر حسب واحد 10*k بیان کرده است.

خمیدگی پدیده آمده در نوار بی متال را می توان وسط هر یک از انواع ترانسدیوسرهای جابه جایی که در فصل مورد بررسی قرار گرفت تشخیص داد اما اغلب اوقات از خود نوار بی متال برای راه اندازی کنتاکتهای یک کلید استفاده می شود ومعمولا خود بی متال یک از کنتاکتهای کلید است. نوع رایج نوار بی متال هنوز هم در انواعی از تموستاتها مورد استفاده قرار می گیرد اگر چه بی متال در آنها به صورت حلزونی پیچیده شده است.این شکل بی متال باعث افزایش حساسیت بی متال می شود چون حساسیت بی متال با طور نوار بستگی مستقیم دارد. در صورتی که محدوده دما وتغییرات آن کم می باشد مقدار انحراف دقیقتا متناسب با تغییر دما خواهد بود.

این نوع ترموستاتها دارای مشخصه نامطلوب هیسترزیس هستند به طوری که به عنوان مثال ترموستاتی که برای مقدار دمای 20c  ساخته شده ممکن است در 22c باز شود.

(شکل در فایل اصلی موجود است)

شکل  نوار بی متال که تشکیل شده از دو نوار فلزی  که با نقطه جوش و یا میخ پرچ به یکدیگر متصل شده اند. معمولا برای اینکه حساسیت نوار بی متال نسبت به تغییرات دما بیشتر شود آن را با طول بیشتر ساخته وسپس به صورت حلقه ای فنری در می آورند و یا آن را به صورت قرصهای فلزی روی یکدیگر جوش می دهند.

مقادیر انبساط خطی برای چند نوع فلز-مقدار انبساط بایستی در عدد10 ضرب شوند. به دلیل اینکه دو فلز تشکیل دهنده بی متال دارای مقادیر انبساط مساوی نیستند با تغییردما همانگونه که در شکل مشخص شده است. نوار بی متال دچارخمیدگی می شود.

ومجددا در 18c بسته شود این خاصیت ممکن است باعث نوسان مشخصات قطع ووصل ترموستات وکاهش کارآیی توموستات شود. به عنوان مثال اگر برای کنترل دمای اتاقی از چنین ترموستاتی استفاده شود دما در حد مطلوب کنترل نخواهد شد و ترموستات فقط در حد کلید قطع ووصل عمل خواهد کرد. با استفاده از یک المنت تسریع کننده می توان تاحدودی اثر هیسترزیس را کاهش داد. تسریع کننده در واقع شامل یک مقاومت با مقدار زیاد است که نزدیک بی متال نصب می شود.اصول کار به این ترتیب است که وقتی کنتاکتهای ترموستات گرم کننده اتاق وصل می شوند جریانی از مقاومت تسریع کننده عبور می کنند به طوری که سرعت گرم شدن ترموستات ترموستات بیشتر از سرعت گرم شدن محیط خواهد بود.برای اطلا بیشتر از مشخصات کنتاکتهای سویچ مطالعه نمایید.

ساختار فوق باعث میشود قبل از آنکه اتاق به دمای مورد نظر برسد ترموستات قطع کند. سپس جریان در مقاومت تسریع کننده قطع می شود وبعد از آن ترموستات سریعتر از اتاق خنک می شود بگونه ای که عمل وصل شدن ترموستات سریعتر از آنچه باید اتفاق می افتد به هر جهت استفاده از تسریع کننده می تواند منجر به رسیدن به درجه حرارت مورد نظر به گونه ای یکنواخت شود. هم اکنون ترموستاتهای حساس تری ساخته شده که به وسیله ترمیستور عمل می کند.

نوارهای بی متال در اشکال فیزیکی متنوعی ساخته می شوند و بخصوص نوع دیسکی آن کاربرد زیاد دارد زمانی که تغییر دمایی رخ می دهد یک دیسک ا زنوع بی متال به طور ناگهانی قوس دار می شود که باعث می شود بدون هیچ واسطه ای یک تغییر شکل فنری برای صفحه اتفاق بیفتد. این اساس کار سویچهای حرارتی است که برای جلوگیری از افزایش گرمای تجهیزات الکترونیکی مورد استفاده قرار میگیرد.این سویچ های حرارتی را میتوان به خنک کننده های آلومینیمی (هیت سینک) موتورهای کوچک،ترانسفورمرها، کتری وبرقی و سایر وسایلی که به نوعی در آنها احتمال گرم شدن بیش ازحد وجود دارد و دارای سطحی فلزی هستند چسبانید.

سویچهای حرارتی به دو شکل در حالت عادی از (N.O Normally Open) و در حالت عادی بسته (N.C  Normally closed) قابل تهیه می ب اشند وانتخاب یکی از این دو نوع بستگی به این دارد که آیا سویچ حرارتی بایستی بالا رفتن دما و یا پایین آمدن دما را آشکار کند.سویچهای حرارتی از پیش تنظیم شده دارای نوسان  هیسترزیسی در حدود 3-5c از دو طرف نقطه دمای مورد نظر هستند چون در آنها از

تسریع کننده استفاده نشده است. برای کنترل دقیق بیشتر می توان از ترموستاتهایی استفاده کرد که دارای طول بی متال بیشتری هستند وطبعا هیسترزیس ونوسان از تنظیم در آنها کمتر است.

همه انواع نوارهای بی مت ال با عنصر حساس طویل که در ترموستاتها مورد استفاده قرار می گیرد بایستی در فواصل زمانی معینی تنظیم مجدد شوند زیرا نوار بی متال همواره د رمعرض تغییرات تدریجی خزش قرار میگیرد و این تغییرات روی تنظیم ترموستات تاثیر می گذارند.

4-3 انبساط مایع وگاز

اصول قدیمی تر سنجش بر اساس دما انبساط مایعات استوار است ودر کلیدهای فشار از اصول کاری دما سنج جیوه ای معمولی استفاده شده است. ساده ترین سنسور از این نوع برگرفته از دماسنج جیوه ای است که در ون لوله موبین آن دو الکترود سیمی جاسازی شده است به دلیل اینکه جیوه فلزی هادی و در دمای معمولی مایع است. زمانی که سطح جیوه به الکترودهایی که مکان آنها بستگی به دمای بالاتر دارد می رسد از طریق الکترودها مداری الکتریکی ایجاد می شود.

بدین وسیله میتوان رسیدن به دمای از پیش تعیین شده ای را تشخیص داد اما تنها برای یک عمل سویچ از آن استفاده می شود و راهی برای تغییر دمای سویچ در آنها وجود ندارد. اگر چه میتوان از سطح جیوه برای تغییر فرکانس یک مدار نوسانی استفاده کرد و بر پایه آن یک سیستم تشخیص دمای تناسبی ایجاد کرد ولی این روش بندرت مورد استفاده قرارمی گیرد. سنسورهایی که برای اندازه گیری دما وبرای غیر از عمل سویچ مورد استفاده قرار می گیرد عمدتا از نوع الکترونیکی هستند واز قطعاتی مانند ترموکوپل وترمیستور در آنها استفاده می شود واز قطعاتی که براساس انبساط مکانیکی کار می کنند و تنها در کارهای قطع ووصل استفاده میشود.

معمولی ترین آنها نوع پیشرفتهای از دماسنج مخزنی است که بسیار هم رایج است و دارای قسمت حساسی است که شامل مخزنی پر از مایع است وتوسط یک لوله مویین به کلید فشاری وصل است.لازم نیست مایع درون مخزن حتما جیوه باشد وامروزه در مواردی ا زنوعی ترکیبی به عنوان مایع منبسط شونده استفاده می شود.

به دلیل اینکه در مواردی بایستی مخزن مایع در فاصله دورتری قرار گیرد واتصال الکتریکی هم لازم ندارد می توان از این وسیله برای کاربرد در محیطهای خطرناک استفاده کرد ومتناسب با آن نوع مایع را هم انتخاب کرد.طول لوله متصل کننده مخزن به سوئیچ فشاری بایستی تاحدی باشد که حجم مایع اشغال کننده آن تنها بخش کوچکی از حجم کلی مایع باشد. زیرا دمای مایع داخل لوله مویین هم روی فشار تاثیر خواهد داشت.

استفاده از هوا و یا هر گاز بی اثر بی جای مایع باعث افزایش حساسیت و دقت دماسنج می شود ولی سویچ فشاری بایستی بتواند به فشارهای خیلی کمتر از آنچه توسط مایع منبسط شده اعمال می شود پاسخ دهد.

یکی از ضعفهای سیستم فوق به طور کلی بر این است که مخزن حساس بایستی دارای حجم مناسبی از مایع باشد و بنابراین نمی بایستی کوچک باشد.علاوه برآن به دلیل اینکه این حجم ماده منبسط شونده بایستی همراه با نوسانات دمای محیط گرم وسرد شود برای عمل شدن این تغییرات زمانی مناسبی لازم است ومخازن دماسنجها نمی  توانند سریعا از تغییرات دما پیروی کند.ضروری نیست سنسور فشار یک قطعه قطع و وصل کننده باشد وبا استفاده از یک دیافراگم که به یک پتانسیومتر متصل است و یا ترانسدیوسر پیزوالکتریک و یا LVDT می توان سنسور دمای مایع مخزنی را به یک ابزار دقیق اندازه گیری دما تبدیل کرد ولی در هر صورت این چنین ابزاری کاربردهای زیادی ندارد.

تئوری

از ترموکوپل همواره به عنوان عنصر حس کننده در سنسور حرارتی ویا سویئچ حرارتی استفاده می شود. اصول کاری ترموکوپلذ براساس دو فلز غیرمشابه است که بین آنها نقطه اتصال کوچکی ایجاد شده وبا تغییر دمای محیط پتانسیل نقطه اتصال تغییر می کند. پتانسیل نقطه اتصال برای یک نقطه اتصال قابل اندازه گیری نیست اما زمانی که دو نقطه اتصال در یک مدار قرار گیرند به طوری که هر یک از دو نقطه اتصال در دمای متفاوت با دیگری قرار داشته باشد آنگاه ولتاژی در حد چند میلی ولت بین آن دو نقطه ایجاد می شود.