ما هو مستشعر درجة الحرارة: أنواعه وتطبيقاته

في حياتنا اليومية ، نستخدم جميعًا أنواعًا مختلفة من أجهزة الاستشعار. من ذلك ، يعد مستشعر درجة الحرارة نوعًا واحدًا من أجهزة الاستشعار التي يتم استخدامها بشكل متكرر في أشكال مختلفة مثل الموجات الدقيقة وسخانات المياه والثلاجات ومقاييس الحرارة وما إلى ذلك. بشكل عام ، يتم استخدام هذه الأنواع من أجهزة الاستشعار في مجموعة واسعة من التطبيقات لقياس كمية برودة أو سخونة الجهاز وتحويله إلى وحدة قابلة للقراءة. هل تعرف كيف يتم قياس درجة حرارة المباني والسدود والآبار والتربة؟ حسنًا ، يمكن القيام بذلك من خلال نوع خاص من مستشعر درجة الحرارة لحساب قراءات درجة الحرارة من خلال الإشارات الكهربائية. تتناول هذه المقالة نظرة عامة على مستشعرات درجة الحرارة وعملها مع الأنواع والتطبيقات. ما هو مستشعر درجة الحرارة؟ يُعرف المستشعر المستخدم لقياس أو الحفاظ على درجة حرارة ثابتة في أي جهاز باسم مستشعر درجة الحرارة. يلعب هذا النوع من أجهزة الاستشعار دورًا رئيسيًا في التطبيقات المختلفة. القياس المادي مثل درجة الحرارة هو الأكثر شيوعًا في التطبيقات الصناعية. يوفر مستشعر درجة الحرارة قياس درجة الحرارة في شكل واضح باستخدام إشارة كهربائية.مستشعر درجة الحرارة هذه الأنواع من أجهزة الاستشعار متوفرة في أشكال مختلفة ، والتي تستخدم لتقنيات إدارة درجة الحرارة المختلفة. يعتمد عمل مستشعر درجة الحرارة بشكل أساسي على الجهد عبر أطراف الصمام الثنائي. لذا ، فإن تغير درجة الحرارة يتناسب طرديًا مع مقاومة الصمام الثنائي. يمكن إجراء قياس المقاومة عبر أطراف الصمام الثنائي وتغيير وحدات درجة الحرارة القابلة للقراءة مثل Celsius و Fahrenheit و Centigrade والمعروضة في شكل وحدات قراءة رقمية. في مجال المراقبة الجيوتقنية ، يتم استخدام مستشعرات درجة الحرارة لحساب درجة الحرارة الداخلية للهياكل المختلفة مثل المباني والسدود والجسور ومحطات الطاقة وما إلى ذلك. بمجرد حصول الدائرة على الحرارة ، سيقوم التتابع بتشغيل الحمل. يمكن تطبيق أي جهد على هذا المرحل مثل جهاز 110V AC أو 220V AC أو DC حتى نتمكن من التحكم فيه بشكل روتيني على درجة الحرارة المفضلة. هذه الدائرة بسيطة ورخيصة البناء. للمبتدئين في مجال الإلكترونيات ، إنها دائرة مثالية.دائرة مستشعر درجة الحرارة مع مفتاح الترحيل المكونات المطلوبة لجعل دائرة مستشعر درجة الحرارة هذه هي 9V مدخلات تيار مستمر DC ، 10KΩ ترمستور ، ترانزستور BC547B ، مرحل 6V ، 1N4007 ديود ومقاوم متغير 20KΩ. يمكن تشغيل هذه الدائرة باستخدام بطارية 9 فولت أو محول أو محول. تشتمل هذه الدائرة على 2- ترانزستورات BC547B مثل زوج دارلينجتون. لذلك يمكن زيادة حساسية الدائرة ، وكذلك الكسب ، من خلال هذه الترانزستورات. يمكن ضبط النطاق المطلوب للحرارة باستخدام المقاوم المتغير الذي ترغب في تنشيط المرحل الخاص بك فيه. في هذه الدائرة ، يلعب الثرمستور دورًا رئيسيًا لأنه يكتشف الحرارة. عمل هذه الدائرة بسيط للغاية. بمجرد وصول الحرارة إلى الثرمستور ، ستنخفض مقاومته ويسمح لتدفق التيار لتنشيط الترانزستورات ، وبمجرد تشغيل كلا الترانزستورات ، فإنها تسمح بتنشيط الجهد باتجاه المرحل. حتى الآن ، سيتم تنشيط الحمل المتصل بهذا المرحل. هذه الدائرة مفيدة جدًا مثل تشغيل المروحة في درجة الحرارة المفضلة. يقوم بتنشيط إنذار في حالات الطوارئ حيث لا ترغب في ارتفاع درجة الحرارة أنواع مستشعر درجة الحرارة يتم تصنيف مستشعر درجة الحرارة إلى نوعين مثل الاتصال وعدم الاتصال حيث تستخدم مستشعرات نوع الاتصال بشكل أساسي في المناطق الخطرة. علاوة على ذلك ، يتم تصنيف هذه الأنواع من أجهزة الاستشعار إلى أنواع مختلفة والتي تمت مناقشتها أدناه. يمكن استخدام هذه المستشعرات لاكتشاف المواد الصلبة والسوائل والغازات في نطاقات درجات الحرارة الواسعة. تتوفر مستشعرات درجة الحرارة من نوع الاتصال بأنواع مختلفة مثل RTD ، والمزدوجة الحرارية ، وميزان الحرارة ، والمقاوم الحراري ، وما إلى ذلك ، ومن بينها ، عادة ما تكون المزدوجات الحرارية أقل تكلفة بسبب المواد والنموذج البسيط المستخدم. النوع الآخر من أجهزة الاستشعار هو الثرمستور حيث تنخفض المقاومة عندما تتحسن درجة الحرارة. المستشعرات الحرارية الأكثر شيوعًا والأكثر استخدامًا هي المزدوجة الحرارية نظرًا لحساسيتها ودقتها ونطاق درجة الحرارة الواسع والبساطة والموثوقية. بشكل عام ، يشتمل هذا النوع من أجهزة الاستشعار على قسمين معدنيين مختلفين مثل النحاس والكونستانتان والتي يتم توصيلها من خلال عملية اللحام.يمكن تصميم هذا المستشعر باستخدام معدنين مختلفين متصلين من خلال سلكين عند نقطتين. يكرر الجهد بين هذه الأسلاك التغيير داخل درجة الحرارة. على الرغم من أنه بالمقارنة مع RTD ، فإن الدقة ستكون أقل قليلاً. يتراوح نطاق درجة حرارة هذا المستشعر من -200 درجة مئوية إلى -1750 درجة مئوية ولكنها باهظة الثمن ، وبمجرد تبريد أو تسخين الوصلة المعدنية ، يمكن تكوين جهد يمكن توصيله مرة أخرى باتجاه درجة الحرارة. لذلك يسمى هذا بالتأثير الكهروحراري. بشكل عام ، هذه ليست باهظة الثمن عندما تكون موادها وتصميمها بسيطًا ، ويعتمد ناتج المزدوجات الحرارية بشكل أساسي على نوعها حيث يتم تصنيف المزدوجات الحرارية العادية إلى أنواع مختلفة مثل K و J و T و N & E والتي تسمى المزدوجات الحرارية المعدنية الأساسية. تسمى المزدوجات الحرارية من النوع S و B و R مزدوجات حرارية من نوع Noble Metal وتسمى الأنواع C & D مزدوجات حرارية من نوع المعدن الحراري. نطاق درجة الحرارة للمزدوجات الحرارية يعتمد على أنواعها مثل ما يلي. من 0 درجة إلى 750 درجة مئوية يتراوح نطاق درجة الحرارة للمزدوج الحراري من النوع "K" من -200 درجة - 1250 درجة مئوية يتراوح نطاق درجة حرارة المزدوجات الحرارية من النوع "E" من -200 درجة - 900 درجة مئوية نطاق درجة الحرارة لنطاقات المزدوجة الحرارية من النوع "T" من -250 درجة إلى 350 درجة مئوية يتراوح نطاق درجة حرارة المزدوجات الحرارية من النوع "N" من 0 درجة إلى 1250 درجة مئوية. مبدأ عمل الثرمستور هو أنه بمجرد زيادة درجة الحرارة ستزداد مقاومته.مستشعر الثرمستور: وفقًا للمبدأ ، يتم تصنيفه إلى نوعين مثل معامل درجة الحرارة الإيجابية (PTC) ومعامل درجة الحرارة السلبية (NTC). في معامل درجة الحرارة الإيجابية ، عندما تزداد درجة حرارة المادة ، ستزداد المقاومة بينما في NTC ، تنخفض درجة الحرارة ثم تنخفض المقاومة. ستزداد مقاومة الثرمستور عندما تزداد درجة الحرارة ، يُظهر هذا النوع من مستشعرات درجة الحرارة تغيرًا يمكن التنبؤ به ودقيقًا وضخمًا في ظل تغير درجات الحرارة المتنوعة. التغيير الهائل ليس سوى درجة الحرارة ستنعكس بسرعة وبدقة. تعتبر الثرمستورات أكثر دقة مقارنة بالمزدوجات الحرارية. هذه المستشعرات مصنوعة من بوليمرات أو سيراميك. يمكن ربط هذه المعادن معًا لصنع شريط ثنائي المعدن. يعتمد مبدأ العمل الرئيسي للثرموستات على الاختلاف داخل معامل التمدد الخطي للمعادن. لذلك يدفعهم لإنتاج حركة ميكانيكية بسبب زيادة الحرارة.يتم استخدام الشريط ثنائي المعدن كمفتاح كهربائي ضمن أدوات التحكم في درجة الحرارة. الاستخدام الواسع لهذا هو التحكم في عناصر تسخين الماء الساخن داخل الغلايات وخزانات المياه الساخنة والأفران ؛ أنظمة تبريد الرادياتير في المركبات ، وما إلى ذلك ، RTD أو كاشف درجة الحرارة المقاومةيمكن تصميم كاشف درجة الحرارة المقاومة من معادن موصلة دقيقة مثل البلاتين المغلف في ملف. تتغير المقاومة الكهربائية لـ RTD عندما تتغير درجة الحرارة. يسمى RTD أيضًا مقياس حرارة المقاومة ويحسب درجة الحرارة من خلال مقاومة عنصر RTD باستخدام درجة الحرارة.RTDRTD أو كاشفات درجة حرارة المقاومة هي الرقاقة المعدنية للثرمستورات وهذه هي أكثر أنواع مجسات درجة الحرارة دقةً وتكلفةً. تحتوي RTDs على PTC (معاملات درجة حرارة موجبة) ولكنها تختلف عن الثرمستور. ناتج هذا هو خطي جدًا يولد قياسات دقيقة جدًا لدرجة الحرارة. تم تصميم الأنواع الشائعة من أجهزة الكشف عن درجة الحرارة المقاومة من البلاتين المعروف باسم PRT أو ترمومتر المقاومة البلاتيني. أكثر أنواع الاستشعار المتاحة بشكل متكرر هي Pt100 ، والتي تتضمن قيمة مقاومة نموذجية مثل 100 درجة عند 0 درجة مئوية. ICST القائم على أشباه الموصلات تتوفر هذه الأنواع من الدوائر المتكاملة القائمة على مستشعر درجة الحرارة في نوعين مختلفين مثل درجة الحرارة المحلية والنوع الرقمي البعيد. يتم استخدام نوع IC درجة الحرارة المحلية لحساب درجة حرارتها من خلال الخصائص الفيزيائية للترانزستور. يستخدم النوع الرقمي البعيد لحساب درجة حرارة الترانزستور الخارجية. تستخدم مستشعرات درجة الحرارة المحلية مخرجات أي من التناظرية أو الرقمية. تكون مخرجات التناظرية إما تيارًا أو جهدًا كهربائيًا بينما يمكن ملاحظة المخرجات الرقمية بتنسيقات مختلفة مثل SMBus و I²C و SPI & 1-Wire. تكتشف هذه المستشعرات درجة الحرارة على مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور. يمكن استخدام مستشعر درجة حرارة صغير مثل MAX31875 في تطبيقات مختلفة تعتمد على البطاريات. يشبه عمل مستشعرات درجة الحرارة الرقمية عن بعد مستشعرات درجة الحرارة المحلية التي تستخدم الخصائص الفيزيائية للترانزستور. الفرق الرئيسي هو أن الترانزستور يتم وضعه بعيدًا عن مستشعر IC. تشتمل بعض المعالجات الدقيقة والألياف الضوئية على ترانزستور استشعار ثنائي القطب لحساب درجة حرارة قالب الدائرة المتكاملة. كما يوحي الاسم ، فهو عبارة عن مزيج من مصطلحين مثل الترمس والمتر حيث لا يمثل الترمو سوى حرارة. يشتمل مقياس الحرارة على سائل مثل الزئبق وبخلاف ذلك الكحول داخل أسطوانة زجاجية. كمية الترمومتر تتناسب خطيًا مع درجة الحرارة. بمجرد أن تتحسن درجة الحرارة ، تتحسن أيضًا كمية الترمومتر.ميزان الحرارة: عندما يتم تسخين سائل الترمومتر فإنه يزداد في الأنبوب الرفيع. يتضمن مقياس الحرارة هذا مقياسًا معايرًا يحدد درجة الحرارة. يتضمن مقياس الحرارة أرقامًا مميزة بجانب الأنبوب الزجاجي الذي يحدد درجة الحرارة بمجرد وصول خط الزئبق إلى تلك النقطة. يمكن حفظ درجة الحرارة هذه ضمن هذه المقاييس مثل كلفن أو مئوية أو فهرنهايت. لذلك ، من الذكاء دائمًا تدوين المقياس الذي يتم ضبط المقياس عليه. لذا ، فهم يحسبون درجة الحرارة باستخدام إشعاع مصدر الحرارة. النوع الشائع من المستشعرات اللا تلامسية هو مستشعر الأشعة تحت الحمراء (IR) والوظيفة الرئيسية لهذا هي الكشف عن طاقة الجسم عن بعد وإنشاء إشارة إلى دائرة تكتشف درجة حرارة الجسم من خلال خطة معايرة دقيقة. ليسوا على اتصال مباشر بالهدف ، ويقومون بحساب مقدار البرودة أو السخونة خلال الإشعاع المنبعث من خلال مصدر الحرارة. تستخدم مستشعرات درجة الحرارة من نوع عدم الاتصال في نطاق واسع. في جائحة Co-vid 19 ، يتم استخدامه لاختبار درجة حرارة الأشخاص ، وتتم مناقشة بعض المزيد من مستشعرات درجة الحرارة أدناه. LM35 درجة الحرارة SensorLM35 IC هو أحد أنواع مستشعرات درجة الحرارة التي تولد إشارة تناظرية مثل إشارة الخرج. يتغير إخراج هذا IC اعتمادًا على درجة الحرارة المحيطة به. هذا النوع من IC صغير الحجم ورخيص أيضًا. تتمثل الوظيفة الرئيسية لهذا IC في حساب درجة الحرارة في أي مكان بين -55 درجة مئوية -150 درجة مئوية ، ويمكن عمل واجهة IC باستخدام أي متحكم يحتوي على وظيفة ADC. يمكن تزويد هذا IC بالطاقة من خلال توفير جهد منظم + 5 فولت إلى دبوس i / p ويمكن توصيل دبوس GND بـ GND في الدائرة. مستشعر درجة الحرارة بالأشعة تحت الحمراء يكتشف مستشعر درجة الحرارة IR الإشارات الكهرومغناطيسية التي تتراوح من 700 نانومتر إلى 14,000 نانومتر. بمجرد أن يتوسع طيف الأشعة تحت الحمراء إلى 1,000,000 نانومتر ، فإن هذه المستشعرات لا تحسب أكثر من 14,000 نانومتر. يمكن عمل مستشعرات الأشعة تحت الحمراء من خلال تركيز طاقة الأشعة تحت الحمراء المتولدة من جسم ما على أجهزة الكشف الضوئية ، حيث تقوم هذه المستشعرات بتحويل الطاقة إلى إشارة كهربائية يمكن مقارنتها بطاقة الأشعة تحت الحمراء المتولدة من خلال الجسم. لأن طاقة الأشعة تحت الحمراء المتولدة من أي جسم يمكن أن تتناسب مع درجة حرارته. توفر الإشارة الكهربائية قراءة دقيقة لدرجة حرارة الجسم. يتم توفير إشارات الأشعة تحت الحمراء إلى مستشعر الأشعة تحت الحمراء من خلال نافذة بلاستيكية ، وعمومًا لا يسمح البلاستيك لتدفق ترددات الأشعة تحت الحمراء في جميع أنحاءه ؛ تستخدم المستشعرات شكلاً شفافًا لترددات محددة. تقوم هذه المادة البلاستيكية بتصفية الترددات غير الضرورية لحماية الإلكترونيات الموجودة داخل مستشعر الأشعة تحت الحمراء من الأوساخ والغبار وما إلى ذلك. يمكن توصيل هذا المستشعر في السيارات المجاورة للثرموستات بناءً على الشركات المصنعة ، وفي بعض المركبات يوجد نوعان من أجهزة استشعار درجة الحرارة ؛ يتم استخدام مستشعر واحد لنقل البيانات من نظام محرك السيارة باتجاه وحدة التحكم ويتم استخدام مستشعر آخر من وحدة التحكم إلى لوحة التحكم. عندما تتغير درجة حرارة محرك السيارة ، يمكن أيضًا تغيير ناتج الاختلاف المحتمل للجهاز ويمكن حساب ذلك من خلال وحدة التحكم في المحرك. يستخدم بشكل أساسي لقياس درجة حرارة سائل التبريد داخل نظام التبريد الذي يعطي إشارة لمقدار درجة حرارة المحرك في السيارة. يعمل مستشعر درجة حرارة سائل التبريد من خلال وحدة التحكم الإلكترونية في السيارة عن طريق المراقبة المستمرة للتأكد من أن محرك السيارة يعمل في درجة الحرارة المثلى أم لا. للحصول على قراءة دقيقة لدرجة حرارة السيارة ، تنقل وحدة التحكم الإلكترونية جهدًا منظمًا نحو CTS. تتغير مقاومة مستشعر درجة حرارة سائل التبريد طوال درجة الحرارة ؛ هذه هي الطريقة التي تراقب بها وحدة التحكم الإلكترونية تغير درجة الحرارة. تستخدم وحدة التحكم الإلكترونية هذه القراءة لحساب درجة حرارة سائل التبريد ومن هناك تنظم مزيج الوقود وحقن الوقود وتوقيت الإشعال والتحكم بمجرد تشغيل / إيقاف تشغيل مروحة التبريد الكهربائية. يمكن أيضًا استخدام هذه البيانات لإرسال قراءة دقيقة لدرجة حرارة المحرك على لوحة التحكم. مستشعر درجة حرارة جسم الإنسان يتم استخدام درجة حرارة جسم الإنسان مثل MAX30205 لحساب درجة حرارة جسم الإنسان. تبلغ دقة هذا المستشعر 0.1 درجة مئوية على مدى قياس من 37 درجة مئوية إلى 39 درجة مئوية ودقة 16 بت. يتميز مستشعر درجة حرارة جسم الإنسان هذا بإنذار درجة الحرارة الزائدة لجعل مفتاح المروحة يعمل من خلال تباطؤ إخراج نظام التشغيل هذا المستشعر يغير قياسات درجة الحرارة إلى شكل رقمي من خلال ADC و Sigma-delta. يتميز مستشعر درجة الحرارة MAX30205 بثلاثة خطوط تحديد عناوين باستخدام 32 عنوانًا يمكن الحصول عليها. يتراوح جهد إمداد هذا المستشعر من 2.7 فولت إلى 3.3 فولت ويبلغ تيار الإمداد 600 أمبير وواجهة محمية بإقفال متوافقة مع I2C لاستخدامها في تطبيقات مختلفة. يمكن استخدام هذا IC في حزمة TDFN ذات 8 سنون ويعمل على نطاق درجة الحرارة من 0 NC-to- + 50NC. المزايا تشمل مزايا مستشعرات درجة الحرارة ما يلي: نطاق درجة الحرارة واسع للغاية ويتراوح من -200 درجة مئوية - + 2500 درجة مئوية دائرة الجسر غير مطلوبة زمن الاستجابة سريع للغاية يستجيب بسرعة بمجرد تغيرات درجة الحرارة هذه سهلة التصميم التكلفة الأولية أقل يقيس قوي مزدوج حراري درجة الحرارة في نطاق -200 درجة مئوية إلى + 2500 درجة مئوية لدرجة الحرارة في نطاق -200 درجة مئوية إلى + 850 درجة مئوية يقيس المقاوم درجة الحرارة في نطاق من -100 درجة مئوية إلى + 260 درجة مئوية تقيس مستشعرات IC درجة الحرارة في نطاق -45 درجة مئوية - 150 درجة مئوية لا تستخدم المزدوجة الحرارية أي طاقة إضافية وهي سهلة التصميم وقوية وأقل تكلفة ، وما إلى ذلك تتمتع أجهزة RTDs بدقة عالية وأكثر استقرارًا ، أكثر خطية مقارنة بالمزدوجة الحرارية ، عملية المقاوم الحراري سريعة جدًا وتوفر مخرجات أعلى. تشمل عيوب جهاز استشعار درجة الحرارة ما يلي. أقل استقرار ، غير خطية ، جهد منخفض ، مرجع مطلوب ، حساسية ، إلخ. عيوب RTD هي ؛ غالية الثمن ، المقاومة المطلقة هي طمي ، المصدر الحالي المطلوب ليس قويًا مقارنة بالمزدوجة الحرارية. عيوب الثرمستور هي ؛ المصدر الحالي المطلوب ، التسخين الذاتي ، الهش ، غير الخطي ، الدعم محدود ، إلخ. عيوب مستشعر IC هي ؛ التشغيل بطيء ، وإمدادات الطاقة المطلوبة ، والتدفئة الذاتية ، والتكوينات محدودة ، ودرجة الحرارة تصل إلى 150 درجة مئوية ، وما إلى ذلك. ، تدفئة المشعات الكهربائية ، إنتاج الغذاء ، الكحول ، إلخ. بعض التطبيقات الأخرى لمستشعرات درجة الحرارة تشمل العبور ، والطاقة والمرافق ، والتكييف ، والمبادلات الحرارية ، والمعايرة والأجهزة ، والعملية الصناعية ، والحفر ، وأنظمة التدفئة ، والطاقة ، والمختبرات ، وما إلى ذلك. تستخدم المستشعرات للتحكم في درجة حرارة المحرك والتحكم في تشغيل المحرك ، ويمكن التحكم في درجة حرارة الحفر بواسطة مشغل الحفر ضمن تطبيقات الطاقة الحرارية الأرضية ، وتستخدم هذه المستشعرات للحفاظ على الكابلات الكهربائية من الاحتراق من ارتفاع درجة حرارة الماء يمكن للمستخدم فحصها بحيث يمكن التحكم في سخان المياه لتوفير الطاقة rol درجة حرارة المحمل وزيت المحرك يمكن التحكم في درجة حرارة الغرفة من خلال هذا المستشعر عن طريق تشغيل نظام التبريد ، وبالتالي ، كل هذا يتعلق بنظرة عامة عن مستشعر درجة الحرارة وعمله. يتم تطبيق مستشعرات درجة الحرارة بشكل أساسي في الأجهزة الطبية وأجهزة الطهي والسيارات وأجهزة الكمبيوتر وأنواع أخرى من الآلات.

اترك رسالة 

قائمة الرسالة