انتقال‌دهندگان دما: چیستند؟ (نوع‌ها و مثال‌ها)

چه چیزی تبدیل‌کننده دما است؟

تبدیل‌کننده دما دستگاهی است که مقدار حرارتی را به هر نوع کمیت فیزیکی مانند انرژی مکانیکی، فشار و سیگنال‌های الکتریکی و غیره تبدیل می‌کند. برای مثال، در یک حرارت‌سنج جفتی، تفاوت پتانسیل الکتریکی به دلیل تفاوت دما در انتهای آن ایجاد می‌شود. بنابراین، حرارت‌سنج جفتی یک تبدیل‌کننده دما است.

ویژگی‌های اصلی تبدیل‌کننده‌های دما

• ورودی آن‌ها همیشه مقادیر حرارتی است

• آن‌ها معمولاً مقادیر حرارتی را به مقادیر الکتریکی تبدیل می‌کنند

• آن‌ها معمولاً برای اندازه‌گیری دما و جریان گرما استفاده می‌شوند

طرح اساسی تبدیل‌کننده‌های دما

طرح اساسی تبدیل‌کننده‌های دما در مراحل زیر آمده است
عنصر حس‌گر.

عنصر حس‌گر در تبدیل‌کننده‌های دما عنصری است که خصوصیات آن با تغییر دما تغییر می‌کند. همان‌طور که دما تغییر می‌کند، تغییر متناظر در خاصیت عنصر ایجاد می‌شود.

مثال – در یک حرارت‌سنج مقاومتی (RTD) عنصر حس‌گر فلز پلاتین است.

شرایط مطلوب برای انتخاب عنصر حس‌گر عبارتند از

• تغییر واحد مقاومت ماده به ازای تغییر واحد دما باید زیاد باشد

• ماده باید مقاومت الکتریکی بالایی داشته باشد تا حداقل حجم ماده برای ساخت آن استفاده شود

• رابطه ماده با دما باید پیوسته و ثابت باشد

• عنصر تبدیل‌دهنده
  این عنصر خروجی عنصر حس‌گر را به کمیت الکتریکی تبدیل می‌کند. تغییر در خاصیت عنصر حس‌گر به عنوان خروجی برای آن عمل می‌کند. آن تغییر در خاصیت عنصر حس‌گر را اندازه‌گیری می‌کند. خروجی عنصر تبدیل‌دهنده سپس کالیبره می‌شود تا خروجی‌ای را ارائه دهد که نشان‌دهنده تغییر در کمیت حرارتی است.

مثال- در حرارت‌سنج جفتی تفاوت پتانسیل ایجاد شده در دو انتهای آن توسط ولتمتر اندازه‌گیری می‌شود و مقدار ولتاژ تولید شده پس از کالیبره کردن نشان‌دهنده تغییر دما است.

نوع‌های تبدیل‌کننده‌های دما

نوع‌های سنسورهای تماسی دما

در این نوع‌ها عنصر حس‌گر به طور مستقیم با منبع حرارتی تماس دارد. آن‌ها از هدایت برای انتقال انرژی حرارتی استفاده می‌کنند.

نوع‌های سنسورهای غیرتماسی دما

در یک سنسور غیرتماسی دما، عنصر با منبع حرارتی (مانند یک تست‌کننده ولتاژ غیرتماسی یا قلم ولتاژ) تماس مستقیم ندارد. سنسورهای غیرتماسی دما از اصل همرفت برای جریان گرما استفاده می‌کنند. انواع مختلف تبدیل‌کننده‌های دما که معمولاً استفاده می‌شوند در زیر توضیح داده شده‌اند:

ترمیستور

کلمه ترمیستور می‌تواند به عنوان مقاومت حرارتی تعریف شود. بنابراین، همان‌طور که از نام آن مشخص است، یک دستگاه است که مقاومتش با تغییر دما تغییر می‌کند. به دلیل حساسیت بالای آن‌ها، به طور گسترده‌ای برای اندازه‌گیری دما استفاده می‌شوند. آن‌ها معمولاً تبدیل‌کننده‌های دما مثالية نامیده می‌شوند. ترمیستورها معمولاً از ترکیبی از اکسیدهای فلزی تشکیل شده‌اند.

ویژگی‌های ترمیستورها

• آن‌ها ضریب حرارتی منفی دارند یعنی مقاومت ترمیستور با افزایش دما کاهش می‌یابد

• آن‌ها از مواد نیمه‌رسانا ساخته شده‌اند

• آن‌ها حساس‌تر از حرارت‌سنج‌های مقاومتی (RTD) و حرارت‌سنج‌های جفتی هستند

• مقاومت آن‌ها بین 0.5Ω تا 0.75 MΩ است

• آن‌ها معمولاً در برنامه‌هایی که دامنه اندازه‌گیری دما -60°سیلسیوس تا 150°سیلسیوس است استفاده می‌شوند.

حرارت‌سنج‌های مقاومتی

نوع دیگری از تبدیل‌کننده دما حرارت‌سنج مقاومتی یا RTD است. RTD‌ها از حرارت‌سنج‌های دقیق ساخته شده‌اند که از فلزات رسانا با خلوص بالا مانند پلاتین، مس یا نیکل که به صورت پیچه‌ای تنیده شده‌اند و مقاومت الکتریکی آن‌ها با تغییر دما تغییر می‌کند، مشابه ترمیستور.

مقاومت آن‌ها با رابطه زیر تغییر می‌کند،

R = مقاومت عنصر در دمای معین
α = ضریب حرارتی عنصر
Ro = مقاومت عنصر در 0°سیلسیوس

ویژگی‌های اصلی RTD‌ها

• آن‌ها بسیار حساس و ارزان قیمت‌تر از ترمیستورها و حرارت‌سنج‌های جفتی هستند

• آن‌ها می‌توانند دما را از -182.96°سیلسیوس تا 630.74°سیلسیوس اندازه‌گیری کنند

حرارت‌سنج‌های جفتی

حرارت‌سنج‌های جفتی تبدیل‌کننده‌های دما هستند که اساساً شامل دو اتصال از فلزات متفاوت مانند مس و کانستان هستند که به هم وصل شده‌اند. یک اتصال در دمای ثابت نگهداری می‌شود که اتصال مرجع (سرد) نامیده می‌شود، در حالی که دیگری اتصال اندازه‌گیری (گرم) است. وقتی دو اتصال در دماهای مختلف قرار دارند، ولتاژی در اتصال تولید می‌شود که برای اندازه‌گیری دما استفاده می‌شود.

اصول حرارت‌سنج جفتی