1. חיישני טמפרטורה
נכתב ע"י יעקב ברק - כדורי

2. סקאלות טמפרטורה נפוצות:
מדידת הטמפרטורה היא המדידה הנפוצה ביותר בתעשייה. הדבר נובע מכך שתהליכים רבים יכולים להתבצע כראוי רק בתחום טמפרטורה מסוים.
סיבה נוספת לכך היא שהטמפרטורה יכולה לשמש במקרים רבים כאינדיקאציה למצב רגיל או חורג מהרגיל בפעילות רכיבים שונים במערכת. (טמפ' מנוע/טמפ' מחשב וכדומה).
סקאלות טמפרטורה נפוצות:
צלסיוס –סקלה המבוססת על טמפרטורת קפיאת המים (0) וטמפרטורת רתיחתם (100).
קלווין – סקלה דומה לסקאלת צלסיוס אך מתחילה בטמפרטורה בה רמת האנרגיה הפנימית של החומר היא 0. לכן ה 0 קלווין שווה לכ מעלות צלסיוס.
נכתב ע"י יעקב ברק - כדורי

3. פרנהייט: סקלה בה טמפרטורת קפיאת המים נקבעה כ 32, רתיחתם כ 212 מעלות
פרנהייט: סקלה בה טמפרטורת קפיאת המים נקבעה כ 32, רתיחתם כ 212 מעלות. כלומר החלוקה של תחום זה היא ל 180 מעלות.
רנקין: התחליף של סקאלת קלווין עבור מערכת המדידה המבוססת על פרנהייט. כלומר מתחילה ב 0 המוחלט וכל מעלה שווה בערכה למעלת פרנהייט.
מעבר מיחידה ליחידה:
נכתב ע"י יעקב ברק - כדורי

4. Celsius (⁰C) / Kelvin (⁰K) Fahrenheit (⁰F) / Rankine (⁰R)
Metric
Celsius (⁰C) / Kelvin (⁰K)
+/- 273
Imperial
Fahrenheit (⁰F) / Rankine (⁰R)
+/- 460
100⁰C
373⁰K
273⁰K
255⁰K
0⁰C
-18⁰C
-273⁰C
0⁰K
-460⁰F
0⁰R
0⁰F
32⁰F
460⁰R
492⁰R
672⁰R
212⁰F
Fahrenheit
[°F] = [°C] · 9/5 + 32
Celsius
[°C] = ([°F] − 32) · 5/9
Kelvin
[K] = [°C]
Rankine
[°R] = [°F]
נכתב ע"י יעקב ברק - כדורי

5. שיטות המדידה השונות
ניתן לחלק את חיישני הטמפרטורה לארבעה סוגים בהתאם לשיטת המדידה עליה הם מבוססים:
א. שיטה המבוססת על התפשטות חומרים כתלות בטמפרטורה.
ב. שיטה המבוססת על שינוי ההתנגדות החשמלית של החומר כתלות בטמפרטורה
ג. שיטה המבוססת על התופעה התרמו-אלקטרית של צמדי מתכות.
ד. שיטה המבוססת על הקרינה הנפלטת מגופים כתלות בטמפרטורה שלהם.
נכתב ע"י יעקב ברק - כדורי

6. כיצד לבחור בשיטת המדידה המתאימה?
בחירת שיטת המדידה המתאימה ליישום ספציפי תתבסס על השיקולים הבאים:
א. טווח הטמפרטורה ותחום המדידה הדרושים ביישום.
ב. גישה למקום המדידה
ג. מידת הדיוק והליניאריות הדרושים
ד. מטרת המדידה (תצוגה או אות חשמלי תקני).
נכתב ע"י יעקב ברק - כדורי

7. א. טווח הטמפרטורה ותחום המדידה הדרושים ביישום.
נכתב ע"י יעקב ברק - כדורי

8. נכתב ע"י יעקב ברק - כדורי

9. מכשירים המבוססים על שינוי נפח או אורך.
חומרים נוטים להגדיל את נפחם/אורכם כאשר הם מתחממים.
על עיקרון זה בנוי למשל טרמומטר הכספית שכולנו מכירים.
לכל חומר יש מקדם התפשטות בחום, האופייני לו. מקדם ההתפשטות הנפחית של כספית גבוה פי 8 ממקדם ההתפשטות של זכוכית ולכן ניתן להתעלם משינוי נפח המיכל בו נמצאת הכספית ולהתייחס רק לשינוי הנפח שלה.
בטרמומטרים כאלו חשוב שכמות הנוזל תהיה קטנה כדי שמהירות התגובה לשינוי בטמפרטורה תהיה גבוהה.
נכתב ע"י יעקב ברק - כדורי

10. אחד המכשירים הנפוצים ביותר לשליטה בטמפרטורה הוא התרמוסטט הדו-מתכתי.
התפשטות מתכות
אחד המכשירים הנפוצים ביותר לשליטה בטמפרטורה הוא התרמוסטט הדו-מתכתי.
בהתקן זה מצמידים שני פסי מתכת בעלות מקדמי התפשטות תרמי שונים.
כל מתכת מתארכת בהתאם לנוסחה:
כאשר הדו-מתכת מתחממת, כל אחד מהפסים מנסה להתפשט בהתאם למקדם ההתפשטות שלו וכתוצאה מכך מקבלת הדו-מתכת התעגלות .
נכתב ע"י יעקב ברק - כדורי

11. בתופעה משתמשים בתרמוסטט ע"י כך שכאשר ההתעגלות עוברת ערך מסוים מתנתק מגע במערכת החימום והיא מפסיקה לחמם.
שימוש אחר הוא ע"י חיבור קצה הדו-מתכת למערכת מכאנית המזיזה מחוג וכך ניתן ליצור מד-חום.
צורות מקובלות נוספות של תרמוסטטים מבוססי דו-מתכת, הן המוט והספיראלה עם מוליך כספית.
נכתב ע"י יעקב ברק - כדורי

12. מכשירים מבוססי שינוי נפח ולחץ
במכשירי מדידה אלו משתמשים בד"כ בשפופרת בורדון-
שפופרת העשויה מפח דק מאד המכופף בצורה מעגלית ומכיל גז או נוזל המתאדה בקלות.
כאשר הגז מתחמם הוא מתפשט או שלחצו גדל –הלחץ בשפופרת הבורדון גדל והיא מתיישרת. קצה השפופרת מחובר בד"כ דרך תמסורת מכאנית מגבירת תזוזה, למחוג וכך החימום גורם לשינוי נפח ולחץ ובעקיפין לתזוזת המחוג.
נכתב ע"י יעקב ברק - כדורי

13. מדי טמפרטורה מבוססי שינוי התנגדות
RTD
((PT100
טרמיסטור
מדי RTD-Resistance Temperature Detectors הם חישנים בעלי גוף מתכתי שהתנגדותו משתנה באופן כמעט ליניארי עם השתנות הטמפרטורה.
למרות שיש חיישנים כאלו מחומרים שונים, הנפוצים ביותר הם אלו העשויים פלטינה – PT
נכתב ע"י יעקב ברק - כדורי

14. בתרשים הבא מוראה גרף ההתנגדות של שני חיישנים כאלו:
לרוב חיישנים אלו ההתנגדות בטמפרטורת הייחוס (0 מעלות) היא 100 אום ולכן הם מכונים PT100.
בתרשים הבא מוראה גרף ההתנגדות של שני חיישנים כאלו:
נכתב ע"י יעקב ברק - כדורי

15. הטבלה הבאה מראה את התנגדות החיישן (PT100 סטנדרטי) כתלות בטמפרטורה.
ניתן לראות שהקשר בין ההתנגדות לטמפרטורה הוא כמעט ליניארי, וכאשר טווח המדידה הוא לא גדול מאד ניתן להתעלם מחוסר הליניאריות הקטן.
המקדם הוא המקדם שמספק היצרן והוא מגדיר את היחס בין השינוי בהתנגדות לשינוי בטמפרטורה, של החיישן בתחום שבין 0 ל 100 מעלות צלסיוס.
הטבלה הבאה מראה את התנגדות החיישן (PT100 סטנדרטי) כתלות בטמפרטורה.
הנוסחה המתארת את תלות התנגדות החיישן בטמפרטורה היא:
כשהמקדם אלפא הוא בד"כ
נכתב ע"י יעקב ברק - כדורי

16. בכל מקרה –כאשר רוכשים חיישן כזה יש לבדוק מהו המקדם של החיישן הספציפי מכיוון שלא לכל החיישנים אותו מקדם בדיוק.
נכתב ע"י יעקב ברק - כדורי

17. נתון חיישן PT100 עם מקדם אלפא של 0.00385
דוגמת חישוב:
נתון חיישן PT100 עם מקדם אלפא של
א. חשבו את ההתנגדות של החיישן כאשר הטמפרטורה היא 350 מעלות צלסיוס.
ב. חשבו את הטמפרטורה שהוא מודד כאשר התנגדותו היא 200 אום.
פתרון:
נכתב ע"י יעקב ברק - כדורי

18. בתרשים מוראה גשר זה כשהנגד הרגיש לחום מסומן באדום.
מעגל המדידה
כדי להמיר את השינוי בהתנגדות לשינוי במתח/זרם אותו ניתן להציג נהוג להשתמש בגשר מדידה (גשר ויטסטון).
בתרשים מוראה גשר זה כשהנגד הרגיש לחום מסומן באדום.
נחשב תחילה את מתח המוצא מהגשר (בין הנקודות שביניהן מצוי מד המתח) עבור התנגדות נתונה של הנגד הרגיש לחום (PT100).
הערה: מהקו של מד המתח ניתן להתעלם בחישוב כי התנגדות מד המתח גבוהה מאד כך שהזרם בקו זה אפסי.
נכתב ע"י יעקב ברק - כדורי

19. המתח על שני ענפי הגשר זהה ושווה למתח העירור V
נניח שכל הנגדים בגשר זהים (כולל ה PT100) בטמפרטורה של 0 מעלות. הטמפרטורה הנמדדת שונה מ 0 ולכן התנגדות ה PT100 משתנה, נקרא לה Rpt
המתח על שני ענפי הגשר זהה ושווה למתח העירור V
הזרם שיזרום בענף עם הנגדים הקבועים -
הזרם שיזרום בענף הכולל את החיישן -
המתח הנופל על הנגד השני בענף עם הנגדים הקבועים הוא:
נכתב ע"י יעקב ברק - כדורי

20. המתח הנופל על הנגד השני בענף עם ה PT100 הוא:
והפרש המתחים על מד המתח, או מתח היציאה מהגשר יהיה ההפרש בין השניים:
נוסחאות כלליות יותר עבור גשרי וויטסטון שבהם הנגדים בגשר אינם זהים, מצויות בדף הנוסחאות מכשור ובקרה
נכתב ע"י יעקב ברק - כדורי

21. דוגמה מספרית
חיישן PT100 מודד טמפרטורה והתנגדותו השתנתה ל 177 אום. חשבו את מתח המוצא של גשר ויטסטון כתוצאה מכך, עבור מתח מבוא של 10 וולט.
נכתב ע"י יעקב ברק - כדורי

22. אם נתון זרם העירור I ולא מתח העירור V יש לחשב קודם את מתח העירור V ע"י הכפלת זרם העירור בהתנגדות הגשר כולו: ואז להציב בנוסחה הקודמת.
נכתב ע"י יעקב ברק - כדורי

23. בעיות אפשריות והטיפול בהן
בחישובים שעשינו מצאנו את הקשר בין השינוי בהתנגדות החיישן לאות המוצא מהגשר.
חישובים אלו נעשו תוך הזנחת התנגדות החוטים המוליכים המחברים את החיישן לגשר. הזנחה זו היא סבירה כל עוד החיישן והגשר סמוכים זה לזה, אך אם החיישן מודד טמפרטורה בתהליך כלשהו הנמצא מרוחק מאות מטרים מלוח התצוגה בו מצוי גם הגשר, איננו יכולים להתעלם מהתנגדות החוטים. הגשר ייראה אז כך:
נכתב ע"י יעקב ברק - כדורי

24. חישוב מקרה עם חוטים בעלי התנגדות לא זניחה
חיישן PT100 מרוחק 100 מטר מלוח הבקרה בו מצוי גשר המדידה. התנגדות כל 100 מטר חוט היא אום
מהי שגיאת המדידה במעלות צלסיוס?
פתרון:
כזכור הטמפרטורה הנמדדת נמצאת ביחס ישר להתנגדות החיישן.
ההתנגדות של החיישן ב 0 מעלות היא 100 אך בגלל החוטים ההתנגדות ש"רואה" הגשר היא אום
נכתב ע"י יעקב ברק - כדורי

25. נציב את הערכים הסטנדרטיים (המקדם אלפא הוא 0.00385) ונקבל:
ניתן לראות גם מהטבלה הסטנדרטית שב 11 מעלות ההתנגדות היא שזה הערך הקרוב ביותר להתנגדות הרלוונטית
נכתב ע"י יעקב ברק - כדורי

26. פתרון בעיית השפעת התנגדות החוטים ע"י הוספת חוט שלישי.
כדי לפתור את הבעיה ניתן לרכוש חיישני PT100 בעלי שלושה חוטי מוצא.
הגשר העליון הוא גשר עם שתי רגלי מדידה והתחתון הוא גשר עם 3 רגלי מדידה.
נכתב ע"י יעקב ברק - כדורי

27. ניתן לראות שהרגל השלישית מיועדת כדי להוסיף גם להתנגדות הקבועה שבענף הימני של הגשר התנגדות RL3 השווה להתנגדות החוטים של החיישן.
חיווט הגשר עתה הוא כזה ש RL3 ו RL1 מבטלים זה את השפעתו של זה (ב RL2 לא זורם זרם כי הוא בקו המדידה שהתנגדותו גבוהה מאד).
רוב חיישני ה PT100 הם בעלי 3 רגלי מדידה מה שמאפשר את קיזוז השפעת החוטים המוליכים מהחיישן לבקר.
יש גם חיישני PT100 בעלי 4 רגליים. גם הם מקזזים את שגיאת המדידה כתוצאה מהתנגדות המוליכים. בחיישנים אלו נמדד המתח על החיישן עצמו ולא מתח הגשר.
נכתב ע"י יעקב ברק - כדורי

28. Thermal Sensitive Resistor
הטרמיסטור
הטרמיסטור בהתאם לשמו הוא נגד רגיש לחום:
Thermal Sensitive Resistor
בניגוד ל RTD העשוי מתכת (בד"כ פלטינה), הטרמיסטור עשוי מתחמוצת מתכתית שהיא מוליך למחצה
טרמיסטורים ניתן להשיג במגוון רב של התנגדות ייחוס, כשהתנגדות זו נעה בין מספר קילו-אום למספר מגה-אום.
מה שמאפיין את הטרמיסטורים הוא רגישותם הרבה לשינוי בטמפרטורה ואי הליניאריות של התנגדותם כתלות בטמפרטורה.
כל טרמיסטור מגיע לכן עם גרף או טבלה המציגה את התנגדותו בטמפרטורות שונות.
נכתב ע"י יעקב ברק - כדורי

29. הנוסחה אופיינית להתנגדות טרמיסטור כתלות בטמפרטורה היא כאמור לא
רוב הטרמיסטורים הם מסוג הקרוי NTC –כלומר נגדים בעלי מקדם תרמי שלילי Negative Thermal Coefficient
כלומר בניגוד לחיישני PT100 התנגדות הטרמיסטור יורדת עם העלייה בטמפרטורה.
הנוסחה אופיינית להתנגדות טרמיסטור כתלות בטמפרטורה היא כאמור לא
ליניארית:
נכתב ע"י יעקב ברק - כדורי

30. אך כאשר תחום המדידה אינו גדול מדי ניתן להשתמש בקירוב ליניארי שמקל על החישובים:
כש Rref היא התנגדות הטרמיסטור בטמפרטורת הייחוס (לא דווקא 0, אלא בד"כ טמפרטורת החדר ) ודלתא T הוא השינוי של הטמפרטורה הנמדדת מטמפרטורת הייחוס
נכתב ע"י יעקב ברק - כדורי

31. תרגיל PT100 עם גשר וויטסטון
נכתב ע"י יעקב ברק - כדורי

32. תרגיל חיישני טמפרטורה ממבחן מהט 2005
נכתב ע"י יעקב ברק - כדורי

33. נכתב ע"י יעקב ברק - כדורי

34. תרגיל תרמיסטור וגשר ויטסטון ממבחן 2002
תרגיל תרמיסטור וגשר ויטסטון ממבחן 2002
נכתב ע"י יעקב ברק - כדורי