مقاله سنسورهای دما و ترانزیستورهای حرارتی

مقدمه:
گرما یکی از اشکال مختلف انرژی است که وجود آن در یک ماده با تغییرات دما و تغییرات حالت فیزیکی رابطه مستقیم دارد. انرژی گرمایی که در یک جسم ذخیره شده، به طور مستقیم قابل اندازه گیری نیست، اما تغییرات آن قابل سنجش است؛ تغییراتی که ممکن است در اثر انتقال دما یا تغییر حالت ماده از جامد به مایع، مایع به گاز، یا تغییر ساختار کریستالی رخ دهد. این ویژگی ها نشان می دهند که دما تا زمانی که حالت فیزیکی ماده ثابت باقی می ماند، نمایانگر میزان انرژی گرمایی موجود در آن است. رابطه میان دما و انرژی گرمایی، شباهت زیادی به رابطه بین ولتاژ و انرژی الکتریکی دارد، زیرا در هر دو حالت، تغییرات انرژی وابسته به تغییرات کمیت فیزیکی است.

سنسورهای دما به طور کلی بر اساس تغییرات فیزیکی ناشی از تغییر دما طراحی شده اند و می توانند این تغییرات را به سیگنال های قابل شناسایی تبدیل کنند. ترانسدیوسرهای حرارتی، برخلاف ترانسدیوسرهای جریان الکتریکی که انرژی عبوری از یک هادی را اندازه گیری می کنند، مستقیماً انرژی گرمایی را به جریان الکتریکی تبدیل نمی کنند، بلکه مطابق با قوانین ترمودینامیک، تغییرات دما را به عنوان محرک عملکرد خود به کار می گیرند. در دمای بالاتر، گرما در ماده ذخیره می شود و در دمای پایین تر، انرژی گرمایی آزاد می شود و این چرخه، پایه عملکرد بسیاری از سنسورهای دما را تشکیل می دهد.

یکی از ساده ترین و قدیمی ترین ابزارهای سنجش دما، نوار بی متال است که برای آشکارسازی حرارتی در کاربردهای مختلف، از کنترل دما تا تشخیص آتش، مورد استفاده قرار می گیرد. نوار بی متال شامل دو نوار فلزی با ضرایب انبساط خطی متفاوت است که در دو نقطه به یکدیگر متصل شده اند. با افزایش دما، طول هر نوار تغییر می کند و به دلیل تفاوت ضرایب انبساط، خمیدگی ایجاد می شود. این خمیدگی می تواند به صورت مکانیکی باعث حرکت کنتاکت ها شود و میزان انحراف آن مستقیماً با تغییر دما تناسب دارد. شکل های پیشرفته نوار بی متال، به صورت فنری یا حلزونی طراحی شده اند تا حساسیت بیشتری نسبت به تغییرات دما ارائه کنند، اما با وجود این، ویژگی هیسترزیس در آن ها مشهود است؛ به عنوان نمونه، ترموستاتی که برای ۲۰ درجه سانتی گراد طراحی شده است ممکن است در ۲۲ درجه باز شود.

علاوه بر بی متال، انواع دیگری از سنسورهای دما وجود دارند که عملکرد آن ها مبتنی بر اصول فیزیکی متفاوتی است. انبساط مایع و گاز، ترموکوپل ها، مقاومت های فلزی و ترمیستورها، نمونه هایی از این سنسورها هستند. ترموکوپل ها با استفاده از اثر ترموالکتریک، اختلاف دمای دو نقطه را به ولتاژ الکتریکی تبدیل می کنند. سنسورهای مقاومت فلزی تغییر مقاومت خود را در پاسخ به تغییر دما نشان می دهند و دماسنج های مقاومتی، نمونه ای از این نوع سنسورها هستند. ترمیستورها نیز با تغییر مقاومت در محدوده های دمایی مشخص، پاسخ سریع و حساسیت بالایی ارائه می کنند و نوع PTC و NTC آن ها، دامنه وسیعی از عملکردهای حرارتی را پوشش می دهد.

تشخیص انرژی گرمایی تابشی و تبدیل آن به سیگنال الکتریکی، جنبه دیگری از سنسورهای دما را تشکیل می دهد. آشکارسازهای پایروالکتریک، تابش حرارتی را به تغییرات الکتریکی تبدیل می کنند و ترانسدیوسرهای حرارتی، انرژی گرمایی را به سیگنال های الکتریکی قابل اندازه گیری تبدیل می کنند. این فرایندها امکان ثبت و مشاهده تغییرات دما را بدون نیاز به تماس مستقیم با ماده فراهم می کنند و پایه ترانزیستورهای حرارتی را تشکیل می دهند.

ترانزیستورهای حرارتی، ساختاری نیمه هادی دارند که رفتار آن ها تحت تاثیر دما تغییر می کند. این تغییرات باعث ایجاد جریان ها و اختلاف پتانسیل هایی می شوند که اصول عملکرد آن ها را شکل می دهند. اثر دما بر مقاومت و جریان در این ترانزیستورها، ترکیب منحصر به فردی از فیزیک ماده و قوانین ترمودینامیک است که امکان سنجش دقیق دما و تغییرات حرارتی را فراهم می کند و اساس بسیاری از سیستم های کنترل دمای پیشرفته را تشکیل می دهد.

فهرست مطالب
– ۱ گرما و دما ۳
۴-۲ نوار بی متال ۴
۴-۳ انبساط مایع و گاز ۱۰
۴-۴ ترموکوپل ها ۱۵
تئوری ۱۵
کاربرد عملی ۲۱
یادداشت ها ۲۱
۴-۵ سنسورهای مقاومت فلزی (metal-resistance sensors) ۳۱
دماسنج مقاومتی (Resistance thermometer) ۳۵
۴-۶ ترمیستورها ۴۱
ترمیستورهای PTC ۴۸
۴-۷ تشخیص انرژی گرمایی تابشی ۵۳
۴-۸ آشکارسازهای پایروالکتریک (Pyroelectric detectors) ۵۵
۴-۹ ترانسدیوسرهای حرارتی ۵۹
۴-۱۰ ترانسدیوسرهای حرارتی به الکتریکی ۶۴