انتخاب سنسور دمای مناسب

انتخاب نوع سنسور دما برای استفاده در سیستم مسئله ای دشوار و وابسته به هزینه است. برای عملکرد بهینه الکتروموتور و افزایش عمر آن، انتخاب سنسور دمای مناسب از اهمیت بسیار بالایی برخوردار است. پس برای راهنمایی بهتر شما در چگونگی روند کار، ابتدا مطالبی را درباره انتخاب سنسور مناسب برای کاربرد مدنظرتان به شما ارائه می دهیم.

 

 نکات کلیدی ای که شما برای برگزیدن بهترین سنسور برای الکتروموتورتان باید از همه بیشتر به آنها توجه داشته باشید، شامل موارد زیر هستند: دامنه دمای عملیاتی، دقت، تکرارپذیری عملکرد مکانیکی، قابلیت اطمینان، حساسیت و هزینه.

این مقاله ی راهنما، جزئیات و مزیت های هر نوع سنسور دما را برای کمک به شما در انتخاب بهترین گزینه برای کاربرد مدنظرتان شرح می دهد.

سنسورهای الکترومکانیکی

• فیوزهای حرارتی - همچنین به عنوان قطع کننده حرارتی (thermal cut-offs (TCOs)) شناخته می شوند
• سوئیچ های حرارتی - همچنین به عنوان کات اوت شناخته می شوند. به عنوان ترموگارد نیز شناخته می شود
• ترموستات چند منظوره
• ترموستات دقیق
• ترموستات مویرگی (Capillary)

سنسورهای الکترونیکی

• ترموکوپل
• دستگاه های مقاومت حرارتی (RTDs)
• ترمیستور برای تنظیم دما (NTCs / PTC)

سنسورهای الکترومکانیکی به شرح زیر هستند.

1- فیوزهای حرارتی - همچنین به عنوان قطع کننده حرارتی (TCO) نیز شناخته می شوند.

فیوزهای حرارتی نوع اول تشکیل شده از یک کنتاکت لغزنده، فنر و قرص حرارتی غیر رسانای الکتریکی تشکیل شده اند.قبل از شروع کار ، جریان از پایه اتصال سمت چپ به سمت کنتاکت لغزنده و سپس به پایه اتصال راست منتقل می شود ، وقتی که دما به نقطه عملکرد طراحی شده می رسد ، قرص حرارتی به حالت مایع تبدیل می شوند و فنر فشرده شده باز می شود. یعنی فنر منبسط شده و کنتاکت لغزنده از پایه اتصال سمت چپ دور می شود. مدار باز شده و جریان بین کنتاکت لغزنده و پایه سمت چپ قطع می شود. مشابه فیوزهای محدودکننده جریانِ سنتی، فیوز حرارتی نیز تجهیزی ارزان است.اما قابل تعمیر نیست و پس از عملکرد باید تعویض گردد.

TCOهابرای جریانهای بار زیاد (تا 16 آمپر) و تا حداکثردمای 280 درجه سانتیگراد مناسب هستند، اما مهندسین برای پیشگیری از تاثیر عبور جریان بر دمای عملکرد (tripping nuisance) باید به تغییرات دما و اثرات خود گرمایشی حاصل از جریان توجه ویژه ای داشته باشند. به طور گسترده ای در محیط های خطرناک و بیشتر در کاربری های خانگی و دستگاه های ارزان قیمت مانند اتو خانگی و دستگاه های فیلتر قهوه استفاده می شود. می توان از فیوز حرارتی برای محافظت ثانویه در سیستم های گرمایشی (immersion heater)استفاده کرد.TCOها برای دماهای مختلف از 72 درجه سانتی گراد تا 280 درجه سانتی گراد در دسترس هستند، اما برای کاربردهایی که دمای محیط پایین است، اصلا مناسب نیستند.

ویژگی های کلیدی فیوزهای حرارتی:

• ساده و مقرون به صرفه
• یکبار مصرف هستند
• برای کاربردهای دمای پایین یا محیط های خیلی سرد مناسب نیستند.

نمونه کاربردها:

• لوازم خانگی
• منابع تغذیه
• وسایل گرمایشی
• کاربردهای های ایمن در برابر اخلال(عدم آسیب پس از خرابی دستگاه)، مثال این کاربرد دستگاه های دارای فیوز و مدارهای محدود کننده جریان هستند که در برابر اتصال کوتاه محافظت می شوند. قطعی برق در این شرایط از آسیب به سیم کشی یا سایردستگاه های مدار ناشی از گرم شدن بیش از حد جلوگیری می کند.

 

 2- سوئیچ های حرارتی - همچنین به عنوان کات اوت (cut-outs)شناخته می شود.

سوئیچ های حرارتی از یک نوار بی متال استفاده می کنند که بین دو کنتاکت سوئیچ قرار گرفته است و هنگامی که دستگاه در معرض دمای از پیش تعیین شده قرار می گیرد ، نوار بی متال به دلیل تفاوت در مقدار انبساط مختلف فلزات غیر همجنس خم می شود و انحراف کافی برای باز یا بسته شدن کنتاکت ها ایجاد می کند. این راهکارهای جمع و جور و ارزان قیمت به طور ایده آل برای استفاده در سیم پیچ موتور یا محافظت در برابر اضافه بار ترانسفورماتور مناسب هستند. برخلاف فیوزهای حرارتی ، تجهیز ترموسوئیچ پس از خنک شدن دستگاهی که به آن متصل شده است مجددا به وضعیت اولیه خود بر می گردد و به کار خود ادامه می دهد این سیکل می تواند تا هزاران بار تکرار شود. راهکار های مذکور به راحتی قابل نصب و پیاده سازی هستند بوده و همچنین نسبتاً ارزان هستند. با این حال ، سوئیچ های حرارتی با توجه به ماهیت نوار بی متال و اندازه تماس محدود می شوند، و بنابراین فقط یک باند عملیاتی با درجه حرارت نسبتاً باریک را با یک انقباض دیفرانسیل یا درجه حرارت نسبتاً گسترده ارائه می دهند.

 

3- ترموستات های چند منظوره

یک راهکار اصلاح شده و بهتر که عموما به عنوان ترموستات قابلمه ای شناخته می شود، از یک دیسک بی متال استفاده می کند که ابتدا کاو است و درنهایت در اثر افزایش دما کوژ(محدب) می‌شود.این موضوع، نقاط سوئیچینگ گسترده تر، تلرانس های کمتر و عملکرد make/break(قطع و وصل) بهتری را فراهم خواهد کرد. گزینه های مختلف پیکربندی امکان ریست دستی را فراهم می کند و پیکربندی های مختلف باعث شده است بتوان سوئیچ قابلمه ای را در رنج وسیعی از دما و جریان به کار گرفت. محفظه از نوع فنولیک در دماهای منفی 10 درجه تا 170 درجه سانتیگراد استفاده می شود و محفظه سرامیکی امکان این را می دهد که تا دمای 260 درجه سانتیگراد استفاده شود این موضوع ترموسوئیچ را به یک انتخاب ایده آل برای اغلب کاربری های خانگی و سبک صنعتی تبدیل کرده است.

در هنگام قرارگیری در مدار قدرت می تواند مستقیما تا 10 آمپر را عبور دهد و به هیچ مدار یا قطعه اضافی نیاز ندارد.و در اغلب کاربری ها بیش از 100 هزار بار سیکل کاری می تواند قطع و وصل کند. ترموسوئیچ ها معمولاً به منظور کنترل و محدود کردن دما استفاده می شود. هنگام استفاده در کاربردهای کنترلی، حتی با کنترل دقیق ابعاد دیسک، این ترموستات های چند منظوره به دلیل هیسترزیسِ ناشی از بی متال مورد استفاده، باز هم حداقل 8 درجه سانتی گراد دیفرانسیل (تفاضل اختلاف بین سطوح مربوط به حالتهای روشن و خاموش در یک سیستم کنترل) (باند مرده) دارند.

 ویژگی های کلیدی:

• تلرانس کم
• قطع/وصل تمیز و راحت
• تکرارپذیر

نمونه کاربردها:

• لوازم خانگی
• ماشین آلات اداری
• دیگهای بخار

4- ترموستات دقیق

ترموستات های دقیق در برابر گردوغبار مهر و موم می شوند، کنترل دقیق تر را میسر ساخته و با انتخاب اجزای داخلی مناسب می توان دیفرانسیل دما را به حدود 3 درجه سانتیگراد کاهش داد. تلرانس کمتر در برابر تغییر ناگهانی و لرزش، دسترسی پذیری بهتر در اندازه های مجاز جریان مستقیم (dc)، مقاوم بودن در برابر دمای محیط از دیگر مزایای این دستگاه ها است. در صورت لزوم ، این دستگاه های با قابلیت اطمینان بالا می توانند با استانداردهای نظامیMil-spec تأیید شوند، اما پیشنهادات هیبریدی برای کاربرد های تجاری نیز قابل استفاده است. این کاربرد ها شامل مواردی مانند ماهواره های فضایی با قابلیت اطمینان بالا یا مدیریت موتور هواپیما، تا کاربردهای زمینی مانند راه آهن است.

 ویژگی های کلیدی:

• قابلیت اطمینان بالا
• دقت بالا
• طول عمر طولانی کنتاکتها
• حداقل رانش از نقطه کالیبره
• زیر صفر درجه سانتیگراد کار می کند

نمونه کاربردها:

• کنترل موتور هواپیما
• کاربردهای صنعتی
• در کاربردهای کنترل از راه دور دما
• کاربردهای ریلی
• محصولات گواهی شده توسط ATEX و BASEEFA

5- ترموستات مویرگی

برخلاف راهکار های ذکر شده در بالا ، ترموستات مویرگی انعطاف پذیری را برای کاربران فراهم می کند تا بتوانند تنظیمات را به جای تنظیمات ثابت و از پیش تعیین شده تغییر دهند. در این روش از انبساط و انقباض یک مخزن بخار داخلی که نزدیک منبع گرمایی سوار شده است ، استفاده می کنند تا کنتاکت های سوئیچ را توسط دمیدن بخار باز کند. از آنجا که در ترموستات مویرگی از این اصل به جای بی متال استفاده می شود ، دیفرانسیل باریک تری در حدود 3 درجه سانتی گراد ارائه می شود ، اگرچه ممکن است کالیبراسیون لازم باشد. به لحاظ جمع و جور بودن، ترموستات مویرگی نسبت به انواع ذکر شده دیگر مزیتی ندارد و بزرگتر است. این موضوع الزام می کند که محفظه دستگاه دور از محل اندازه گیری دما نصب شود. با این حال ، جریان تا 20 آمپرو دما تا 350 درجه سانتیگراد می تواند توسط ترموستات مویرگی کنترل شود. از معایب این نوع دستگاه این است که نسبتاً پرهزینه است و نیاز به تعیبه شدن در پنل های جلویی دارد. از ترموستات مویرگی معمولا در اجاق گازها و آبگرمکن ها استفاده می شود.

ویژگی های کلیدی:

• قابلیت تنظیم توسط کاربر
• هزینه واحد بالاتر
• دقت بالا
• دامنه دمایی گسترده
• از لحاظ حجم نسبت به گزینه های دیگر بزرگتر است

نمونه کاربردها:

• اندازه گیری دمای مایع از طریق تماس مستقیم
• آبگرمکن ها
• سنسورهای دور از کنتاکت
• سیستم سنجش داخل محفظه

 

6- ترموکوپل

پایه ای ترین شکل کنترل برای سنجش دمای حالت جامد ترموکوپل است، یک اتصال ساده از دو فلز مختف. این تجهیزات ولتاژ خروجی بسیار کوچک در حد میلی ولت ایجاد می کنند، بنابراین مدار کنترلی با حساسیت بالا برای این تجهیزات مورد نیاز خواهد بود. معمولا ترکیبات مختلفی از فلز برای کاربردهای مورد نظر شما در بازار موجود هست. متداول ترین ترکیبات "J" ، "K" ، "T" و "E" است که هر کدام منحنی ولتاژ / دمای متفاوتی را ارائه می دهد. این فناوری در مواردی که گستره های دمایی بالایی مورد نیاز است، کاربرد بسیاری دارد و تخصصی ترین انواع آن می توانند در دمای حداکثر 2300 درجه سانتیگراد کار کنند. و دما را کنترل نمایند. ترموکوپل ها زمان پاسخ سریعی دارند و می توانند در دماهای بسیار بالا کار کنند. خروجی ولتاژ پایین آنها به پردازش سیگنال (signal conditioning) (اعمالی مانند فیلترکردن و تقویت، رگولاسیون سطح ولتاژ برای طبقه بعدی و..)و افزایش دامنه سیگنال خروجی نیاز دارد، بنابراین برای کاربردهایی که هزینه کم درآنها اولویت اصلی است، انتخاب مناسبی نیستند.

 ویژگی های کلیدی:

• دامنه دمایی گسترده
• مناسب برای دما های تا 2300 درجه سانتی گراد
• زمان پاسخ سریع
• هزینه نسبتاً بالاتر در هر واحد

 نمونه کاربردها:

• کوره / اجاق
• توربین های گازی
• موتورهای دیزلی
• ابزار دقیق برودتی

7- RTD ها

آشکارسازهای دمای مقاومتی (RTDs) از ویژگی ذاتی که اکثر فلزات دارند، استفاده می کنند - با افزایش دما مقاومت اکثر فلزات افزایش می یابد. این ویژگیِ کاملاً خطی، برای کاربردهایی با دامنه دمایی گسترده ایده آل است. دقت و قابلیت پیش بینی بالای این دستگاه ها آنها را برای اندازه گیری مداوم دما ایده آل می سازد. به طور سنتی RTD ها از سیم پلاتین ساخته می شدند، اما امروزه از فناوری فیلم چاپی استفاده می شود. بنابراین باعث کاهش هزینهها، ثبات طولانی مدت و بهبود تکرارپذیری می شود. نقطه ضعف RTD ها مقاومت خروجی کم آنها و ضریب تغییر دمای پایین شان است (معمولاً حدود 0.38٪ در هر درجه سانتیگراد). خود مقاومت پایه ها یا پروب ها که فقط 0.33 اهم است، می تواند خطای دمایی معادل 1 درجه سانتیگراد را ایجاد کند، اما با استفاده از یک تقویت کننده اضافی می توان این مقدار را جبران کرد. RTD ها مقادیر اهمی کمی دارند (عموما: 100 تا 1000 اهم در 0 درجه سانتی گراد).

 ویژگی های کلیدی:

• هزینه کم به ازای هر واحد
• مقاومت و ضریب دمایی کمتر در خروجی
• تکرارپذیری زیاد
• مقادیر اهمی کم

نمونه کاربردها:

• دماسنج دیجیتال
• کنترل فرایند
• لوازم خانگی
• تجهیزات آزمایشگاهی

8- ترمیستور برای تنظیم دما

ترمیستورها متداول ترین دستگاههای کنترل دمای حالت جامد (از جنس نیمه هادی) هستند. از ترکیب اکسیدهای فلزی ساخته شده اند که در حرارت بالا یک ترکیب سرامیکی تشکیل می دهد که مقومت پایه ها در برابر دما تغییر می کند. ترکیبات مختلف با افزایش دما مقاومت را کم یا زیاد می کنند، بنابراین شما می توانید تجهیز را به طور خاص برای کاربرد مدنظر خود تطبیق دهید. برای تنظیم دما دو نوع ترمیستور وجود دارد:

• ضریب دمای مثبت (PTC)
• ضریب دمای منفی (NTC)

تراشه معمولاً با فرو بردن در اپوکسی یا کپسول کردن با شیشه محافظت می شود، اما همچنان حساسیت بالایی خواهد داشت و زمان پاسخگویی آن سریع است، در طیف گسترده ای از تلرانس ها، دقت بسیار خوبی را ارائه می دهد که قابل کنترل است. سنجش بسیار دقیق را می توان در محدوده عملیاتی مشخص شده به دست آورد. اگرچه ترمیستورها کم هزینه و فشرده و جمع و جور هستند، نسبت به رطوبت ممکن است حساسیت نشان دهند. بنابراین این قطعات معمولاً به بسته بندی و محفظه نیاز دارند تا آنها را از سنسورهای هوای ساده به دستگاه های سنجش دمای سطح تنومند و مقاوم تبدیل کند. در حالی که برای باندهای باریک و شناخته شده درجه حرارت عالی است، ویژگی های غیرخطی برای کاربرد های دما با دامنه وسیع مناسب نیستند، و به کالیبراسیون اضافی نیاز دارند. ترمیستورها معمولاً محدوده دمای عملیاتی -100 تا 500 درجه سانتیگراد را پوشش می دهند. لطفا توجه داشته باشید که ترمیستورهای زیر نیز وجود دارند. (ICL)محدود کننده جریان هجومی ورودی که در واقع ترمیستورهای NTC دیسک قدرت هستند که برای محدود کردن جریان هجومی استفاده می شوند. این تجهیزات معمولاً در کاربردهای راه اندازی موتور الکتریکی و منبع تغذیه مورد استفاده قرار می گیرند. ترمیستورهای سوئیچ PTC مانند یک فیوز قابل ریست شدن در دمای مفروضعمل می کنند. هر دو اینها بصورت سری با بار وصل می شوند تا جریان را محدود یا قطع کنند.

 

ویژگی های کلیدی:

• قابل سفارشی سازی
• حساسیت بالا
• دقت بالا
• پاسخ سریع

نمونه کاربردها:

• تهویه مطبوع
• روشنایی حالت جامد یا LED
• برنامه های کاربردی خودرو
• محافظت از موتور
• کاربردهای پزشکی
• ترموستات الکترونیکی
• تزریق سوخت
• وسایل ایمنی
• منابع تغذیه

خلاصه

راهکارهای سنجش الکترومکانیکی، در حالی که به نظر می رسد از حیث انعطاف پذیری از دقت کمتری برخوردار هستند، معادل های حالت جامد آنها، سطح کنترل کافی برای طیف گسترده ای از کاربرد ها را بدون نیاز به مدار پشتیبانی، رله های سوئیچینگ و کارهای پیچیده طراحی فراهم می کنند. سادگی و عملکرد مستقل آنها باعث می شود که به طور گسترده ای برای تابلوهای تأیید تجهیزات در سراسر جهان قابل قبول باشند. دستگاه های مبتنی بر الکترونیک به تنها چند چرخه محدود نمی شوند و می توانند برای ترکیب عملکردهای هوشمندتر مانند فن های با سرعت متغیر در مقابل عملکرد ساده خاموش و روشن استفاده شوند. انتخاب اینکه کدام سنسور برای هر کاربرد خاص بهتر است با توجه به طیف وسیعی از معیارها تعیین می شود و امیدواریم که این راهنما به شما کمک کرده باشد تا بفهمید کدام راهکار برای شما بهترین است.

 

----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

پیشنهاد موتور درایو برای کسب اطلاعات مناسب درباره تجهیزات حفاظت الکتروموتور مطالعه مقالات زیر می باشد:

1. سنسور دمای مقاومتی RTD

2. تفاوت بین سنسور RTD دو سیمه، سه سیمه و چهار سیمه

3. کلاس دقت سنسور Pt100

4. ترموسوئیچ thermal switch چیست؟

5. فیوز حرارتی thermal fuse چیست؟

6. حفاظت تعبیه شده در الکتروموتورها

7. نکات کاربردی برای نصب و استفاده از حفاظت ترمیستوری موتور

8- رله اضافه بار حرارتی یا بی متال موتور

9- هیتر ضدمیعان سیم پیچ الکتروموتور

10- انتخاب سنسور دمای مناسب