اکثر ما وقتی وارد دنیای الکترونیک و به خصوص امبدد شدیم از اولین پروژه‌هایی که انجام دادیم این بوده که بتونیم با استفاده از یک سنسور دما (اکثراً هم LM35 که خدا ازش نگذره) دمای محیط رو اندازه بگیریم. بعد از این تمرین هم احتمالاً توی خیلی از پروژه‌ها به این مورد نیاز پیدا کرده باشید و خب بسته به نوع پروژه، دقتی که نیاز داریم، قابلیت اطمینان دستگاه، قیمت و خیلی پارامترهای دیگه نیاز داشتیم سنسور خاصی رو استفاده کنیم و این همونجاییه که دیگه با چند تا کلیک توی کدویژن و خوندن ساده‌ی مقدار آنالوگ نمیشه به راحتی مقدار دما رو محاسبه کرد. سنسورهای مختلفی برای اندازه‌گیری دما هست که هر کدوم مزایا و معایب خاصی دارند و ما باید بسته به نیازمون یکیشون رو انتخاب و بعد هم راه‌اندازیش کنیم و مسلماً برای این کار باید یکم بیشتر در موردشون بدونیم.

خب توی این سری از آموزش‌ها قراره یکم بیشتر با انواع این سنسورهای دما، طرز کار هر کدوم و راه‌اندازیشون آشنا بشیم. سعی شده آموزش‌ها طوری باشه که انواع پر مصرف سنسور دما و طریقه‌ی راه‌اندازی اون‌ها رو پوشش داده باشه و اطلاعات پایه‌ای و مورد نیاز تا جای ممکن توضیح داده شده باشه.

در قسمت اول این سری آموزش قراره با توضیح مختصری در مورد انواع سنسور شروع کنیم و یک دید کلی نسبت به اون چیزایی که قراره در ادامه یاد بگیریم پیدا کنیم و در قسمت‌های بعدی به طور مبسوط‌ تر(!) مطالب رو پوشش بدیم. خب دیگه خیلی مقدمه چیدیم بریم کم کم شروع کنیم.

سنسور دما چیست؟

خب طبق روال رایج و کمی حوصله سر بر اول بیایید ببینیم سنسور دما چیست و چه کاربردی دارد! به احتمال زیاد اگر متولد دهه هفتاد به قبل باشید (شاید حتی 80) دماسنج‌های جیوه‌ای رو دیده باشید که توی خیلی از خونه‌ها خیلی بدون دلیل یکیشون به دیوار زده شده بود. البته یک نوع دیگه هم بود (و کماکان هست) که برای اندازه‌گیری دمای بدن استفاده میشه. اساس کار این دماسنج‌ها هم تغییر حجم فلز مایع جیوه در اثر تغییرات دماست که خب ما خیلی بهش کاری نداریم و موضوع صحبت ما نیست.

بعد از این نوع دماسنج‌ها، دماسنج‌های الکترونیکی اومدند که میتونستند با استفاده از یک حسگر (سنسور) مقدار دما رو اندازه‌گیری کنند. این حسگر دما تغییرات دما رو به یک پارامتر الکتریکی قابل اندازه‌گیری تبدیل میکنه (مثلاً مقاومت و یا ولتاژ). در این حالت تغییرات دما باعث تغییر پارامتر الکتریکی شده و ما با اندازه‌گیری اون پارامتر میتونیم مقدار دما رو اندازه‌گیری کنیم. پس به عنوان یک تعریف کلی، یک سنسور دما تجهیزی است که قابلیت تبدیل کمیت دما به یک مقدار قابل اندازه‌گیری را دارد.

بعد از این تعریف بدیهی بریم که ببینیم سنسور دما چه انواعی داره و هر کدوم چطوری کار میکنه.

انواع سنسور دما

سنسورهای مختلفی برای اندازه‌گیری دما وجود دارند که هر کدوم به نسبت کاربرد مورد نیاز ما مزایا و معایبی دارند. بریم با چند نوع از پرکاربردترین سنسورهای دما آشنا بشیم:

ترموکوپل‌ها (Thermocouple)

ترموکوپل رو میشه گفت یکی از پرکاربردترین و رایج‌ترین نوع سنسورها برای اندازه‌گیری دما است. ترموکوپل توی صنایع و دستگاه‌ها و برای کاربردهای مختلف استفاده میشه. خلاصه که واقعاً سنسور خوبیه. البته یکم راه‌اندازیش نکته و داستان داره ولی در مقابل ویژگی‌هایی که داره خیلی به چشم نمیاد.

چطوری دما رو اندازه‌گیری میکنه؟

خیلی خلاصه بخوام بگم ما توی فیزیک یه پدیده‌ای داریم به اسم Seebeck Effect که باز هم به صورت خلاصه این پدیده بیان میدارد (!)‌ که وقتی دو تا فلز غیر هم‌جنس توی یه نقطه به همدیگه متصل میشن این اتصال باعث به وجود اومدن یک اختلاف پتانسیل بین دو فلز شده که این اختلاف پتانسیل تابعیه از دما. در واقع در این حالت یکی از فلزها رو میگیم مثبت و یکی دیگه میشه منفی و چون از نظر انتقال گرمایی فلزهای مختلف با هم متفاوت هستند با این اتصال الکترون‌ها از سمت فلز گرم‌تر به سمت فلز خنک‌تر حرکت می‌کنند و همین باعث به وجود اومدن اختلاف پتانسیل میشه. با تغییر دما این اختلاف پتانسیل بیشتر شده و ما با استفاده از همین مقدار میتونیم دما رو محاسبه کنیم. چطوری؟ خب ترموکوپل‌ها یک جدول دمایی دارند که توی اون جدول مقدار این اختلاف پتانسیل به ازای دماهای مختلف ذکر شده و ما میتونیم بعد از اندازه‌گیری دما توی اون جدول بگردیم و ببینیم این مقدار برابر با چه دمایی میشه. دیگه نیازی نیست که بگم ما قرار نیست خودمون بریم جدول رو بخونیم و این کار رو میشه با میکرو انجام داد. حالا این وسط ما با چیزایی مثل اتصال سرد (Cold Junction) و عدم خطی بودن و این قبیل مشکلات مواجهیم که میشه همون داستان و نکته که خب فعلاً در این مقال نمیگنجد و در اپیزودهای بعدی منتظرش باشید. توی این فاصله هم میتونید خودتون یکم در مورد Seebeck Effect تحقیق کنید.

این پایین هم چند نمونه از ترموکوپل‌های مختلف رو میتونید ببینید. همون طور که مشخصه بر حسب نوع فلزهای به کار رفته ما سنسورهای ترموکوپل مختلفی داریم و این سنسورها میتونند توی بازه‌های مختلفی کار کنند و دما رو اندازه‌گیری کنند. برای مثال ترموکوپل نوع K در بازه‌ی 200- الی 1250+ (🤯) درجه سانتی گراد میتونه دما رو اندازه‌گیری کنه.

مزایا و معایب

آشکارساز دمای مقاومتی یا Resistance Temperature Detector

اگه تا حالا اسم PT100 به گوشتان خورده باشه یعنی از قبل یک سنسور RTD رو میشناسید. اگر هم نشنیدید مشکلی نیست با ما همراه باشید 😊

بعد از ترموکوپل‌ها پر کاربردترین سنسورهای دما در صنعت همین RTDها هستند. راه اندازی این سنسورها هم کمی پیچیدگی داره که بعداً در موردش بیشتر حرف میزنیم. فعلاً بریم یکم بیشتر با این سنسور آشنا بشیم.

چطوری دما رو اندازه‌گیری میکنه؟

اگه بخوام به فارسی سخت توضیح بدم خلاصه‌اش میشه این‌که این نوع سنسورها همونطور که از اسمش معلومه آشکارساز دمای مقاومتی هستند. به فارسی یکم آسون‌تر میشه اینکه این سنسور‌ها مثل یک مقاومت معمولی هستند که با تغییر دما مقدارشون تغییر میکنه و ما با استفاده از همین تغییر میتونیم دما رو اندازه‌گیری کنیم. همون طور که احتمالاً میدونید ما برای محاسبه‌ی مقاومت هر ماده‌ای به سه تا پارامتر نیاز داریم:

1. طول اون جسم (L)
2. سطح مقطع جسم (A)
3. مقاومت ویژه اون ماده (ρ)

با داشتن این سه پارامتر مقاومت از این رابطه به دست میاد:

R=ρLA

که خب در این رابطه اون پارامتر مقاومت ویژه خودش تابعی از دماست:

ρ = ρ0[1+(T-T0)]

پس میبینم که هر جسمی با تغییر دما مقدار مقاومتش هم تغییر میکنه. حالا از اونجایی که قراره سنسور RTD در دماهای نسبتاً بالا هم کار کنه باید ماده‌ای انتخاب بشه که نقطه‌ی ذوب بالایی داشته باشه و همچنین در برابر خوردگی هم مقاوم باشه (چون ممکنه توی محیط‌هایی و در موادی کار کنه که میتونه باعث آسیب و خوردگی بشه). بهترین ماده برای این سنسور فلز پلاتینیومه. در همون سنسور PT100 (و یا PT1000) که اون اول بهش اشاره کردیم در واقع حرف P نشون دهنده‌ی همین فلز پلاتینیوم است. به سنسورهای RTD که در ساختشون از پلاتینیوم استفاده میشه میگن Platinum RTD (چقدر عجیب واقعاً!).

در مقایسه با ترموکوپل‌ها سنسورهای RTD رفتار خطی‌تری دارند و بنابراین به صورت نسبی کمی دقت بالاتری هم دارند. اما از طرف دیگه رنج دمایی قابل اندازه‌گیری توسط این سنسورها به نسبت ترموکوپل محدودتره. سنسورهای RTD در مدل‌های دو سیمه، سه سیمه و چهار سیمه ساخته میشن که خیلی فعلاً بهش فکر نکنید در قسمت‌های بعدی به این موارد هم میپردازیم. فعلاً عکس زیر رو داشته باشید:

مزایا و معایب

ترمیستور (Thermistor)

این سنسورها پسر/دختر عموهای همون سنسورهای RTD هستند و بر همین اساس عملکردشون هم خیلی شبیه همون RTDهاست. یعنی بر اساس تغییر مقاومت در اثر تغییر دما کار میکنند. فقط در جنس، بازه‌ی اندازه‌گیری و نوع نسبت به RTDها متفاوت‌اند. معمولاً در ساخت این سنسورها از پلیمر یا سرامیک استفاده میشه. دقتشون هم نسبت به RTDها کمتره. حالا احتمالاً برای شما سوال پیش اومده باشه که خب چرا تا وقتی RTDها با دقت بالاتر هستند ما از ترمیستور استفاده کنیم؟ و دوستان اینجا هم مثل اکثر اوقات بحث پول در میان است. ترمیستورها با اینکه دقت پایین‌تر و بازه‌ی دمایی محدودتری دارند اما در عین حال ارزون‌تر هم هستند. اینجا دیگه انتخاب بین این دو نوع سنسور برمیگرده به کاربرد مورد نظر ما. خب گفتیم ترمیستورها در نوع هم متفاوت هستند، این یعنی چه؟

به طور کلی ترمیستورها به دو دسته تقسیم‌بندی میشن NTC و PTC. تفاوت این دو دسته در رفتار تغییر مقاومت نسبت به تغییر دما است. در نوع NTC یا Negative Temperature Coefficient که رایج‌تر از نوع دیگه هم است مقدار مقاومت رابطه‌ی معکوس با دما داره. یعنی در صورت افزایش دما مقدار مقاومت کاهش پیدا میکنه و برعکس. اما در نوع PTC یا Positive Temperature Coefficient این رابطه مستقیمه.

مزایا و معایب

سنسورهای نیمه‌هادی (IC)

این سنسورها هم که دیگه خیلی نیازی به معرفی ندارند. سنسورهایی که به صورت مدار مجتمع و یا آیسی ساخته میشن و مقدار دما رو یا به صورت سیگنال آنالوگ و یا پروتکل‌های ارتباطی مثل UART, SPI و I2C به ما میدهند. همون LM35 معروف، LM75 و یا DS18B20 نمونه‌هایی از این نوع سنسورها هستند. قبلاً در سیسوگ سنسورهای نیمه‌هادی مختلفی مورد بررسی قرار گرفتند که در ادامه لینک‌شون رو میذارم:

راه‌اندازی سنسور DS18B20 با AVR

راه اندازی سنسور دمای LM335

راه‌اندازی سنسور دما MLX90615 با آردوینو

مزایا و معایب

خب معرفی تا همین‌جا فکر میکنم کافی باشه. البته سنسورهای دما به همین چند عدد محدود نمیشن و تنوع بیشتری دارند (مثل سنسورهای infrared و یا بی متال) که خب چون کاربردهای محدود و یا خاص دارند ما دیگه سراغشون نمیریم.

در قسمت بعدی این آموزش قراره یکم بیشتر و تخصصی‌تر در مورد سنسور ترموکوپل صحبت کنیم و ببینیم چطور میشه این سنسور رو راه اندازی کرد. در آخر هم یک کتابخانه به زبان C برای تبدیل سیگنال ولتاژ به دما در سنسور ترموکوپل معرفی میکنیم.