سنسور دما دقیقا چیست؟

ابتدا این جمله را به خاطر بسپارید: سنسور دما "مستقیماً دما را نمی خواند"، بلکه ابتدا تغییرات خاصیت فیزیکی خاص ناشی از دما را حس می کند، سپس این تغییرات را به سیگنال های قابل اندازه گیری تبدیل می کند و در نهایت مدار و الگوریتم اندازه گیری مقدار دما را به دست می آورند.

شما هر روز از سنسورهای دما استفاده می کنید، اما به ندرت متوجه آنها می شوید. سیستم های تهویه مطبوع می دانند چه زمانی خنک شدن را متوقف کنند، یخچال ها می توانند دمای تنظیم شده را حفظ کنند، اتومبیل ها می توانند وضعیت موتور، باتری و سیستم خنک کننده را کنترل کنند، تجهیزات صنعتی می توانند در صورت غیرعادی بودن دما هشدار دهند - همه این عملکردها یک پایه مشترک دارند: ابتدا "دما را حس کنید" و سپس آن را برای پردازش به سیستم کنترل تحویل دهید.

I. سنسور دما دقیقاً چیست؟

از دیدگاه مهندسی، سنسور دما وسیله ای است که مقدار فیزیکی دما را به سیگنال های قابل اندازه گیری، انتقال و پردازش تبدیل می کند. هسته آن "نمایش عدد" نیست، بلکه ایجاد یک تناظر پایدار و قابل تکرار بین "دما" و یک کمیت فیزیکی قابل اندازه گیری است.

این کمیت فیزیکی قابل اندازه گیری می تواند مقاومت، ولتاژ، جریان یا سیگنال های آنالوگ یا دیجیتال باشد که توسط مدارهای مجتمع پردازش می شوند. تفاوت در مسیرهای فنی مختلف اساساً در این است که: از چه اثر فیزیکی برای "حس" دما استفاده می شود، و چگونه می توان این تغییر را به دقت اندازه گیری کرد.

II. چگونه "دما" را به عدد تبدیل می کند؟

این مهم ترین مرحله در درک سنسور دما است. به بیان دقیق، سنسور مستقیماً 25.3 درجه سانتیگراد را نمی خواند. 25.3 ℃ نتیجه ای است که پس از تبدیل و محاسبه کل زنجیره اندازه گیری به دست می آید. آنچه در واقع در جلو اتفاق می افتد این است: دما خواص فیزیکی یک ماده یا ساختار خاص را تغییر می دهد.

تغییر دما ← تغییر ویژگی سنجش ← سیگنال الکتریکی ← اکتساب و تبدیل ← محاسبه الگوریتم ← مقدار دما

زنجیره اندازه گیری دمای معمولی: از "دنیای فیزیکی" تا "دنیای دیجیتال"

مرحله 1: دما ابتدا روی ماده حساس اثر می گذارد

هنگامی که دمای جسم اندازه گیری شده تغییر می کند، یک ویژگی فیزیکی خاص در داخل عنصر حساس بر این اساس تغییر می کند. برای مقاومت پلاتین، عمدتاً به عنوان تغییر در مقدار مقاومت ظاهر می شود. برای ترموکوپل ها، تغییر در پتانسیل ترموالکتریک است. برای ترمیستورهای NTC، تغییر در مقدار مقاومت است که با دما تغییر می‌کند و این تغییر معمولاً غیرخطی قابل توجهی دارد.

در اینجا یک مفهوم بسیار مهم وجود دارد: آنچه سنسور دما اندازه گیری می کند "خود دما" نیست، بلکه "تغییرات قابل اندازه گیری ناشی از دما" است. سپس با استفاده از رابطه کالیبره شده از قبل، این تغییر به صورت معکوس برای بدست آوردن دما محاسبه می شود.

مرحله 2: تغییر را به سیگنال الکتریکی تبدیل کنید

به عنوان مثال مقاومت پلاتین را در نظر بگیرید، هنگامی که دما افزایش می یابد، مقدار مقاومت پلاتین با توجه به ویژگی مقاومت-دمای آن تغییر می کند. مدار اندازه گیری تحریک مناسبی را برای مقاومت پلاتین اعمال می کند، به طوری که تغییر در مقدار مقاومت می تواند به عنوان ولتاژ، جریان یا خروجی پل قابل اندازه گیری منعکس شود.

به همین دلیل است که یک عنصر مقاومت پلاتین که تنها چند میلی‌متر اندازه دارد، در واقع می‌تواند بیشترین و حیاتی‌ترین تبدیل «دما → کمیت الکتریکی» را در زنجیره کامل اندازه‌گیری دما انجام دهد. خود عنصر ممکن است فقط یک تغییر در مقدار مقاومت را تولید کند، اما "℃" به مدار بعدی برای تکمیل تبدیل نیاز دارد.

مرحله 3: مدار اکتساب تغییرات کوچک را "خوانده" می کند

خروجی سنسور اغلب یک عدد استاندارد طبیعی مناسب نیست. به عنوان مثال، RTD یک مقدار مقاومت را تولید می کند و ترموکوپل ها پتانسیل ترموالکتریک در سطح میلی ولت را تولید می کنند. مدار اندازه گیری باید این سیگنال ها را تحریک، نمونه برداری، تقویت، فیلتر یا جبران کند تا مبدل آنالوگ به دیجیتال بعدی بتواند داده های به اندازه کافی پایدار و قابل استفاده به دست آورد.

برای RTD، اگر جریان تحریک بیش از حد زیاد باشد، خود گرمایشی ایجاد می‌کند و باعث می‌شود دمای خود عنصر حساس افزایش یابد و در نتیجه خطاهای اضافی ایجاد شود. بنابراین، "نحوه اندازه گیری" خود بخشی از دقت اندازه گیری دما است، نه پایان انتخاب سنسور.

مرحله 4: تبدیل آنالوگ به دیجیتال، تبدیل تغییرات مداوم به مقادیر دیجیتال

اگر سیستم از یک کنترلر دیجیتال استفاده می کند، مدار جذب معمولاً باید ولتاژ یا جریان آنالوگ را از طریق مبدل آنالوگ به دیجیتال (ADC) به کدهای دیجیتال تبدیل کند. به عنوان مثال، پس از نمونه برداری از ولتاژ آنالوگ مربوط به تغییر مقاومت توسط ADC، کنترل کننده به جای دمای فیزیکی مانند "25 درجه" یک سری ارقام را دریافت می کند.

در این مرحله، سیستم از "اندازه گیری سیگنال های الکتریکی" به "مرحله محاسبه" منتقل شده است.

مرحله 5: محاسبه دما بر اساس رابطه کالیبراسیون

در نهایت، کنترل کننده مقدار دیجیتال را با توجه به رابطه مقاومت-دما یا ولتاژ-دمای مربوط به سنسور به یک مقدار دما تبدیل می کند. این فرآیند ممکن است از جستجوی جدول، محاسبه فرمول یا ضرایب کالیبراسیون استفاده کند. برای مقاومت های پلاتین استاندارد، همچنین در ترکیب با فرمول استاندارد مربوطه و درجه دقت تبدیل می شود.

بنابراین "25.3 ℃" که می بینید در واقع نتیجه کار مشترک کل زنجیره اندازه گیری است، نه یک مقدار دیجیتال مستقیم تولید شده توسط یک جزء واحد از سنسور.

آنچه واقعاً شایسته به خاطر سپردن است این است: حسگر دما مسئول "درک" است، مدار اندازه گیری مسئول "خواندن" و الگوریتم و سیستم کنترل مسئول "درک" هستند.

III. افکار نهایی: کاری که سنسور دما واقعا انجام می دهد تبدیل "احساس" به "داده" است.

برگردیم به سوال ابتدای مقاله: سنسور دما دقیقاً چیست؟

در یک جمله: مستقیماً دما را «نمی‌بیند»، بلکه تغییرات فیزیکی ناشی از دما را حس می‌کند، سپس این تغییرات را از طریق اکتساب، تبدیل، کالیبراسیون و محاسبه به سیگنال‌های الکتریکی تبدیل می‌کند و در نهایت مقدار دمایی را که می‌بینیم به دست می‌آورد.

با درک این موضوع، بسیاری از سوالات بعدی آسان تر خواهند شد: چرا RTD بر رابطه مقاومت و دما تمرکز می کند؟ چرا ترموکوپل به جبران اتصال سرد نیاز دارد؟ چرا NTC بر مقدار B تاکید می کند؟ چرا اندازه گیری جریان بر RTD تأثیر می گذارد؟ چرا روش نصب سنسور بر روی نتیجه تأثیر می گذارد؟ چرا محصولات با قابلیت اطمینان بالا نیاز به تست های محیطی و مکانیکی دارند؟

زیرا همه آنها اساساً به یک سؤال پاسخ می دهند: چگونه "تغییرات دما" را پایدار، دقیق و قابل تکرار به "داده های معتبر" تبدیل کنیم.

——استخراج از یک حساب عمومی بررسی شده