سنسور ها المان حس کننده یک سیستم می باشد که کمیت های فیزیکی مانند فشار، حرارت، رطوبت، فلو و.....
را به کمیت های الکتریکی پیوسته یا غیرپیوسته و یا حتی کمیت غیرالکتریکی( مانند تغییر مقاومت داخلی سنسور) تبدیل می کند.
این سنسورها در انواع دستگاه هایی اندازه گیری و سیستم های کنترل آنالوگ و دیجیتال مانند PLC مورد استفاده قرار می گیرند.
عملکرد سنسورها و قابلیت اتصال آنها به دستگاه های مختلف از جمله PLC باعث شده است که سنسور بخشی از اجزای جدانشدنی دستگاه کنترل اتوماتیک باشد.
سنسورها اطلاعات مختلف از وضعیت اجزای متحرک سیستم را به واحد کنترل ارسال نموده و باعث تغییر وضعیت عملکرد دستگاه ها می شوند.
در این بخش، ابتدا به توضیح روش های اندازه گیری چهار کمیت مهم حرارت، جریان(Flow )، سطح ارتفاع (Level) و فشار می پردازیم و درپایان درباره سوئیچ های بدون تماس صحبت خواهیم کرد.
1) اندازه گیری درجه حرارت
برای اندازه گیری درجه حرارت از آشکارسازهای مختلفی استفاده می شود.
که در دو گروه کلی زیر طبقه بندی می شوند:
آشکارسازهایی که با سیال در تماس هستند.
آشکارسازهایی که با سیال در تماس نیستند.
آشکارسازهایی که با سیال در تماس هستند
این آشکارسازها که در آنها از روش تماس سیال با المنت اخذکننده در جه حرارت استفاده می شود شامل انواع زیر می باشند:
1-1-1) ترموکوپل
یکی از عمومی ترین وسائل حساس در مقابل درجه حرارت ترموکوپل می باشد.
داستان ترموکوپل به کشف See beck در سال 1821 در مورد وجود یک جریان الکتریکی در مدار بسته ای از دو فلز غیرهمجنس در حالیکه دو نقطه اتصال در درجه حرارت های مختلف باشد برمی گردد.
چنین ترموکوپلی در شکل زیر نشان داده شده است.
در اینجا A و B دو فلز و T1 و T2 درجه حرارت های نقاط اتصال آنها می باشند.
I نشان دهنده جریان ترموالکتریکی است که در مدار جاری است.
معمولاً A نسبت به B در صورتی که T1 اتصال سردتر باشد، از لحاظ ترموکوپلی مثبت و خوانده می شود.
اثرات ترموالکتریک
آگاهی از وجود اثر کشف شده به وسیله See beck گشاینده راه برای کاربرد این دانش در اندازه گیری اختلاف درجه حرارت موجود بین اتصالات دو سیم بود.
قبل از بحث مفصل در مورد پیشرفت های این وسیله به ذکر دو اثر ترموالکتریک ترکیب شده برای تولید جریان ترموالکتریک می پردازیم.
اثر peltier
این اثر بوسیله Peltier در سال 1834 کشف شده است.
این اثر دفع یا جذب حرارت در یک اتصال دو فلز غیرهمجنس را هنگامی که جریانی در طول این اتصال جاری است بیان می نماید.
در صورتی که جهت جریان معکوس گردد، علامت اثر حرارت نیز معکوس خواهد شد.
بررسی بیشتر این اثر آشکار می سازد که مقدار حرارتی که جذب یا دفع می شود متناسب با جریان بوده وضریب تناسب بستگی به درجه حرارت و جنس ترموکوپل دارد.
بنابراین مقدار حرارت انتقالی از اتصال یا به اتصال بوسیله PI نشان داده می شود که در اینجا P ضریب Peltier به وات و آمپر یا بصورت ساده تر نیروی الکترو موتوریPeltier (EMF) برحسب وات می باشد.
اثر تامسون
این اثر شامل جذب با دفع حرارت در هنگام جاری بودن جریان در فلزهای همجنس در صورت وجود تدریجی حرارت می باشد.
اثر تامسون بطور معکوس نیز صدق می کند و اگر جهت جریان تغییر نماید، علامت اثر حرارت نیز معکوس خواهد شد.
حرارت تامسون ظاهر شده در یک زمان معین و در یک ناحیه کوچک از هادی متناسب با جریان و اختلاف درجه حرارت در طول آن ناحیه می باشد.
ضریب تناسب بستگی به درجه حرارت و جنس هادی دارد.
بنابراین مقداری از حرارت که دریک ناحیه کوچک از هادی حامل جریان I و اختلاف درجه حرارت جذب یا دفع می گردد، معادل می باشد که در آن ضریب تامسون به وات بر آمپر بر درجه یا نیروی الکتروموتوری (EMF) تامسون به ولت بر درجه نامیده می شود.
پس از مباحث بالا نتیجه گیری می شود که برای دو فلز با جنس معین جریان I متناسب با اختلاف درجه حرارت در دو نقطه اتصال می باشد.
حال در صورتی که یکی از نقاط اتصال را در صفر درجه نگهداریم جریان متناسب با درجه حرارت نقطه دیگر خواهد بود.
در اینجا سری را که درجه حرارت آن ثابت نگهداشته می شود، اتصال سرد یا اتصال مقایسه و سر دیگر را اتصال گرم می گویند.
فاکتورهای مؤثر در انتخاب فلز ترموکوپل
برای دو فلز ترموکوپل از جنسهای مختلفی می توان استفاده نمودکه هرکدام از آنها دارای خصوصیات مربوط به خود می باشند.
فاکتورهایی که در انتخاب جنس ترموکوپل مؤثرند عبارتند از:
الف) محدودیت های درجه حرارت
ب) روابط خطی بین درجه حرارت و EMF
ج) مقدار EMF نسبت به هر درجه تغییر حرارت
1) حد خطا و حساسیت
2) قابلیت پس گیری
3) دقت
د) مقاومت فیزیکی در درجه حرارت بالا
ه) تأثیرات اتمسفری
1) اکسیده شدن
2) تقلیل یافتن
ترموکوپل های استاندارد شده
الف) (Copper – Constantan)CC
حدود درجه حرارت معمول از 150- تا 400+ درجه سانتیگراد
اکسیده شدن در بالای 400 درجه سانتیگراد
آسیب پذیر در مقابل بخارات اسید
ب) (Iron – Constantan)IC
- حدود درجه حرارت معمول صفر تا 800 درجه سانتیگراد
- آسیب پذیر بوسیله سولفور،اکسیژن و رطوبت
- تأثیرات اتمسفری کم( بخصوص در زیر 400 درجه سانتیگراد
ج) (Chromel – Alumel)CA
- حدود درجه حرارت معمول صفر تا 130 درجه سانتیگراد
- مقاوم در اتمسفر های اکسیده شدنی
- آسیب پذیر در مقابل سولفور
د)(Platinum- Platinum 10% /13%Rhodium) Pt- PtRH
- حدود درجه حرارت معمول صفر تا 1500 درجه سانتیگراد
- مقاوم در اتمسفر های اکسیده شدنی
- فاسدشدن( خورده شدن) در بالای 1000 درجه سانتیگراد
- احتیاج داشتن به لوله محافظ مقاوم در برابر نفوذ گاز
ه) (Chromel – Constantan)ChC
- حدود درجه حرارت معمول صفر تا 800 درجه سانتیگراد
- مقاوم در اتمسفر های اکسیده شدنی
- آسیب پذیر بوسیله سولفور
ترموکوپل های استاندارد نشده
الف) Chromel – Stain steel
مقاوم در برابر اتمسفر های سولفوری می باشد و بجای Alumel استفاده می شود.
ب) Nickel- Nickel Molybdenum
ج) Molybdenum – Tungsten
برای اندازه گیری درجه حرارت فلز گداخته بکار می رود و حدود درجه حرارت آن 1700 درجه سانتیگراد می باشد.
د) Graphite- Silicon Carbide
خروجی EMF زیادی تولید می کند و فاقد قابلیت پس گیری می باشد.
ه) Tungsten - Graphite
دارای خروجی EMF زیاد در بالای 1100 درجه سانتیگراد می باشد و اصلاحات کمی را در مقایسه( Reference ) باعث می شود.
و) Tungsten- Iridium
برای درجه حرارت های تا 2100 درجه سانتیگراد استفاه شده و دارای EMF خروجی کم در درجه حرارت کمتراز 100 درجه می باشد.
این ترموکوپل احتیاجی به جبران کننده اتصال سرد ندارد.
ز) Iridium – Iridium Rhodium
جبران کننده اتصال سرد( اتصال مقایسه)
همانطور که قبلاً گفته شده برای اندازه گیری درجه حرارت اتصال گرم فرض می کنیم که درجه حرارت نقطه سرد در صفر درجه ثابت است.
ولی در عمل این نقطه در محیط قرار گرفته و با تغییرات درجه حرارت میحط، حرارت آن تغییر می کند.
بنابراین اگر این درجه حرارت از صفر افزایش یابد چون میزان جریان ترموکوپل به اختلاف درجه حرار دو اتصال گرم وسرد بستگی دارد میزان جریان ترموکوپل کاهش یافته و باعث خطا در اندازه گیری درجه حرارت می شود.
در زیر چند روش برای بیان جبران خطا در اثر تغییر درجه حرارت اتصال سرد ذکر شده است.
الف) حمام یخ
با قراردادن اتصال مقایسه ترموکوپل در یخ می توان درجه حرارت این اتصال را در صفر درجه ثابت نگه داشت و از خطا جلوگیری نمود.
ب) استفاده از سیم اتصال(Extention wire) همجنس
با انتخاب سیم اتصال از جنسی که دارای خصوصیات خود ترموکوپل باشد می توان اتصال مقایسه را به داخل تقویت کننده تغییر داد و از خطا در اثر تأثیر تغییر درجه حرارت بر روی اتصال مقایسه جلوگیری نمود.
معمولاً جنس این سیم های اتصال از آلیاژهای ارزان قیمت تر از خود ترموکوپل ولی با خصوصیات آلیاژ ترموکوپل می باشد.
با انتخاب سیم اتصال از جنسی که دارای خصوصیات خود ترموکوپل باشد می توان اتصال مقایسه را به داخل تقویت کننده تغییر داد و از خطا در اثر تأثیر تغییر درجه حرارت بر روی اتصال مقایسه جلوگیری نمود.
معمولاً جنس این سیم های اتصال از آلیاژهای ارزان قیمت تر از خود ترموکوپل ولی با خصوصیات آلیاژ ترموکوپل می باشد.
ج) استفاده از پل وتسون درشکل زیر نیروی الکتروموتوری تولیدی بوسیله ترموکوپل برابر است با: E21=(T2-T1) Ec نیروی الکتروموتور که به تقویت کننده می رسد برابر است با E=E21+Ec با انتخاب ولتاژ ECبازاء درجه حرارت T1 می توان افت جریان را جبران نمود: در عمل درجه حرارت T1 همیشه ثابت نیست که ما بتوانیم منبع نیروی ثابتی برای جبران آن بکار گیریم.
بدین منظور همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است، از پل وتسون استفاده می شود.
در اینجا یکی از مقاومتهای پل نیز در معرض درجه حرارت T1 قرار می گیرد.
این مقاومت با تغییر درجه حرارت T1 پل را از حالت تعادل خارج کرده و موجب ایجاد نیرویی متناسب با درجه حرارت T1 در دو سر آن می گردد.
بدین ترتیب با تغییر درجه حرارت T1 در هر لحظه نیروی دو سر پل تغییر نموده و باعث جبران نیروی الکتروموتوری تقلیل یافته در اثر تغییر درجه حرارت T1 می شود.
محافظت ترموکوپل برای محافظت ترموکوپل از وسیله ای بنام Well استفاده می شود استفاده از well دارای مزایای زیر می باشد: استفاده ترموکوپل در اتمسفرهای خورنده و اکسیدشونده حرارت زیاد استفاده از Well با ته بسته استفاده از Well با عمل عبور گاز خنثی از داخل آن درجه حرارت کم استفاده از Well با ته باز فشارهای زیاد تعمیر ترموکوپل در ظروف با فشار زیاد قابلیت استفاده در مقابل شوکها، فشارها و لرزش محافظت در مقابل تغییرات ناگهانی درجه حرارت عمل کردن برای مواد مذاب هدایت حرارتی ممانعت از خطاهای تشعشعی ممانعت از خطاهای ناشی از حرکت سیال آنچه در بالا آمده است عللی است که بخاطر آنها ما از Well برای ترموکوپل استفاده می کنیم.
اشکالی که یک Well می تواند برای اندازه گیری ما بوجود آورد، داشتن ثابت زمانی(Time Constant ) می باشد.
بنابراین در محل هایی که هیچکدام از مسائلی که استفاده از Well را موجب می شود وجود ندارد، برای حصول ثابت زمانی کمتر از ترموکوپل بدون Well استفاده می شود.
1-1-2) حرارت سنج های مقاومتی تئوری حرارت سنج مقاومتی حرارت سنج مقاومتی براساس خصوصیات ذاتی فلزات در مورد تعمیر مقاومت الکتریکی آنها در مقابل تغییرات درجه حرارت عمل می نماید.
با اینکه لامپهای الکتریکی اندازه گیر مقاومتی حرارتی(Resistance Thermometer Bulbs ) معمولاً از پلاتینیم مس یا نیکل ساخته شده اند اما اثر درجه حرار به مقاومت در مورد نیمه هادی ها نیز اعمال می شود و امکان دارد که به علت بهبود سریع مواد نیمه هادی، این مواد دارای مصارف بیشتری در حرارت سنج های مقاومتی گردند.
اصولاً یک حرارت سنج مقاومتی وسیله ای است برای اندازه گیری مقاومت الکتریکی ولی مقاومتی که بجای واحد مقاومت براساس واحد درجه حرارت درجه بندی شده باشد.
بدین سبب حرارت سنج مقاومتی بی شباهت به خیلی از سایر تبدیل کننده های الکتریکی که سیگنال الکتریکی را به یکی از واحدهای متغیر فرآیند از قبیل درجه حرارت تبدیل می کند، نیست.
یکی از انواع گوناگون پل را می توان در اندازه گیری درجه حرارت به طریق مقاومتی بکار برد.
این پل ها عبارتند از: پل وتسون(در حال حاضر رایج ترین پل در حرارت سنجهای مقاومتی صنعتی می باشد) پل Callendar – Griffiths پل اندازه گیر با دو مقاومت متغیر پل ظرفیتی پل Mueller ضریب حرارتی مقاومت تغییر مقاومت الکتریکی یک جسم با تغییر درجه حرارت، ضریب حرارتی مقاومت نامیده می شود.این ضریب به صورت تغییرات مقاومت بر اهم در درجه حرارت در یک درجه حرارت معین بیان می گردد.
برای اکثر فلزات ضریب حرارتی مثبت می باشد.
این رابطه مقاومت و درجه حرارت را می توان بصورت زیر بیان نمود: که در اینجا مقاوت در صفر درجه می باشد.
در صورتی که ضریب حرارتی مقاومت خطی نباشد، رابطه معمول تری ممکن است استفاده شود: ضرایب و ممکن است براساس سه یا چند مقدار مقاومت – درجه حرارت معلوم را بصورت یکنواخت در بالای حدود تغییرات کار درجه حرارت قرار گرفته اند، محاسبه گردد.
در صورت محاسبه بسطهای بیشتر این معادله، منحنی مقاومت- درجه حرارت دقیق تری بدست خواهد آمد.
پارامترهایی که برای المنت مقاومت مهم می باشند عبارتند از: هدایت الکتریکی دارابودن حداقل اندوکتانس فشار فیزیکی حداقل بر پیچش مقاومت سیم اتصال با مقاومت مشابه برای حذف EMF محلی مزایای Resistance Bulb 1) حساسیت و سرعت پاسخ 2) قابلیت تکرار مجدد و فقدان اتصال مقایسه 3) دقت مشابه اندازه گیری با ترموکوپل اتصال Resistance Bulb به دستگاه اندازه گیری همانطور