نگاه اجمالی

ترموکوپل یا کوپل ترموالکتریک ، نوعی مولد الکتریسته که با استفاده از ترموالکتریکی جریان الکتریکی ضعیفی ایجاد می‌کند. ترموکوپل از دو میله فلزی غیر هم جنس رسانا یا نیم رسانا ساخته شده است که از یک سر به هم جوش داده شده‌اند و دو سر دیگر آنها بوسیله حساس مانند گالوانومتر متصل است. با گرم شدن محل اتصال ، جریان ضعیفی از مدار عبور می‌کند.

بیان فیزیکی ترموکوپل

ترموکوپل ، دماسنج افتراقی (یا دیفرانسیلی) است که خروجی آن به صورت ولتاژ است. به بیان فیزیکی‌تر ، ترموکوپل حس کننده‌ای است که در آن از دو ماده با اثرهای زبک مختلف برای تبدیل اختلاف دما به اختلاف ولتاژ استفاده می‌شود. ولتاژ باز V₁₂ چنین است:



که در آن (S_m(T اثر زبک یا توان گرمایی ماده m در دمای T و _iT دمای ناحیه همدما است. برای مواد همگن و نواحی کاملا همه ما V₁₂ به چگونگی تغییر دما بین T₁ و T₂ بستگی ندارد و فقط اختلاف دماست که اهمیت دارد. مثلا اگر از دو ترموکوپل یکسان استفاده کنیم که برای یکی از آنها وسط ماده B در دمای کوره‌ای داغ و برای دیگری وسط ماده B در دمای مایعی بسیار سرد قرار داشته باشد، ولتاژ حاصل در دو ترموکوپل یکسان خواهد بود.

آرایش کاربردی ترموکوپل

• با رعایت تعدادی نکات احتیاطی همان نتایج آرایشی آرمانی را بدست خواهد داد. اول اینکه هیچگونه گرادیان دمای نباید در پیوند گاه A-B که در دمای T₂ قرار دارد، موجود باشد. اگر مواد را به شکل سیم در آوریم و اتصال گرمایی خوبی در پیوندگاه و قسمتی از هر دو سیم با نمونه اندازه گیری شونده برقرار کنیم، این شرط برآورده می‌شود.

• دوم از آنجا که سیم های مختلفی در T₁ که ولتاژ آن اندازه گیری می‌شود قرار می‌گیرند. لازم است که T₁ ناحیه دما با دمای مشخص باشد. پیشتر این شرط را با متصل کردن ترموکوپل ولت سنج به مخزنهای گرمایی مربع ، مانند مخلوط هم زده‌ای از یخ و آب یا مایع زمزاییک در حال جوش برآورده می‌کردند. ابزارهای جدید این اتصالها را در نواحی که دمای آنها به صورت الکتریکی کنترل می‌شود برقرار می‌کنند.
  
  
• سوم اینکه لازم است توان گرمایی موادی که ترموکوپلی می‌دهند، بر اثر تغییر دما در گستره‌ای از دما که مورد اندازه گیری است یا بر اثر ناخالصیهایی که ممکن است در محیط اندازه گیری شونده موجود باشد، تغییر نکند. یکی از راههای ممکن برای نقص این شرط اکسید شدن مواد یا هر دو ماده است.

کاربرد آلیاژهای ترموکوپل

بکار بردن آلیاژهای فلزات واسطه به عنوان مواد تشکیل دهنده ترموکوپل همه شرایط را به خوبی برآورده می‌کند. ترموکوپلی که از دو آلپاژ یکی با توان گرمایی مثبت و دیگری با توان گرمایی منفی ساخته شده است. به ازای اختلاف دمای مشخص ولتاژ خروجی یا حساسیت بیشتری خواهد داشت.

ترموکوپل مرکب

ترموکوپل مرکب یا ترموکوبیل ، مجموعه‌ای از چند ترموکوپل است که از نظر گرمایی به صورت موازی و از نظر الکتریکی به صورت متوالی با یکدیگر متصلند، از ترموکوپلهای مرکب در مواردی استفاده می‌شود که به ولتاژهای بیشتری نیاز باشد. آشکارسازی اختلاف دمای ناشی از توان اپتیکی و طراحی چشمه‌های ولتاژ دو نمونه از این موارد است.

امروزه سنسورهای نوری در تمام زمینه‌های صنعت مورد استفاده قرار می‌گیرد و به همین دلیل به صورت یک شاخه تخصصی از الکترونیک مورد تحقیق و بررسی قرار گرفته است . به طور کلی سنسورهای نوری از یک اتصال p-n تشکیل شده‌اند که به طور معکوس بایاس می‌شوند و نحوه کار آن بدین ترتیب است که هنگام تابش نور بر سطح شفاف یک دیود سنسور نوری که به طور معکوس بایاس شده است ، علاوه بر جریان اشباع معکوس ، بر اثر تابش نور، جفت الکترون و حفره تولید شده، تحت میدان الکتریکی اعمالی به کنتاکتها رانده شده، خود منشا جریان خواهد شد. از عوامل افزایش حساسیت و راندمان سنسور نوری می‌توان الف - افزایش سطح دیود و ب - افزایش ناحیه تهی را نام برد. همچنین به منظور افزایش راندمان، استفاده از وضعیت pin دیودها مرسوم است . pin دیودها از یک لایه نیمه هادی ذاتی با ضخامت زیاد بین ناحیه n و p استفاده می‌شود که تحت بایاس معکوس ، ناحیه نیمه هادی ذاتی، خالی از بار می‌شود و در نتیجه راندمان سنسور افزایش می‌یابد. در همین راستا و به منظور افزایش حساسیت و راندمان سنسور نوری وضعیت خاصی از یک سنسور نوری که در سنسور سرعت‌سنج کاربرد دارد در این پایان‌نامه مورد بررسی قرار گرفته است . سنسور از یک دیود LED با نور قرمز و یک دیود مرجع و یک دیود سنسور نوری که در داخل ماسک قرار گرفته‌اند تشکیل شده‌اند که در شکل (1-1) نشان داده شده است . دیود مرجع یک دیود ساده با سطح 1mm x 1.2mm و سطحی شفاف با یک کنتاکت کوچک می‌باشد که در یک ماسک کدر به دور از تابش نور LED قرار دارد و دیود سنسور نوری با همان سطح دیود مرجع می‌باشد با این اختلاف که بر سطح سنسور نوارهای باریک آلومینیمی به واسطه دی‌اکسید با ضخامت 0/3um و با ولتاژ -3v منظور شده است و یک ماسک پنجره‌ای بر روی دیود سنسور نوری قرار دارد که در حالت بدون شتاب مانع از رسیدن نور LED بر سطح آن می‌شود. در حالت بدون شتاب جریان دیود مرجع و دیود سنسور یکسان است و حساسیت سنسور نیز به یکسان بودن جریان بدون نور دیود مرجع و دیود سنسور بستگی دارد. در وضعیت شتابدار، ماسک دیود سنسور نوری به تناسب شتاب می‌لغزد و مقداری نور بر سطح دیود سنسور نوری می‌رسد و تولید جفت الکترون و حفره شده و منشا جریانی می‌شود که اختلاف دیود مرجع و دیود سنسور نوری همین جریان خواهد بود. این جریان پس از تقویت و انتگرالگیری، شتاب سیستم را آشکار می‌کند. عامل افزایش راندمان سنسور نوری، نوارهای آلومینیمی است که به واسطه دی‌اکسید بر سطح دیود سنسور نوری قرار دارند. نوارهای آلومینیمی می‌توانند هم بر روی ناحیه تهی تاثیر داشته باشند (که باعث افزایش راندمان می‌شود) و هم می‌توانند بر روی جریان اشباع معکوس بدون نور تاثیر داشته باشند (که باعث کاهش حساسیت سنسور نوری می‌شود). هدف این پایان‌نامه بررسی تاثیر نوارهای آلومینیمی بر روی پایداری جریان اشباع معکوس در حالت بدون نور و افزایش ناحیه تهی می‌باشد. بررسی‌ها توسط شبیه‌سازی انجام شده است . شبیه‌سازی توسط حل معادلات اساسی حاکم بر نیمه‌هادیها که غیرخطی هستند انجام می‌شود و به دو مرحله تقسیم می‌شود: الف - مرحله گسسته‌سازی معادلات اساسی ب - مرحله حل عددی معادلات گسسته شده. به منظور گسسته‌سازی معادلات اساسی از روش تفاضلات محدود و در مرحله حل عددی معادلات گسسته شده از روش تکرارهای گامل با معرفی یک روش جدید در بهبود این یروش استفاده شده است . ترتیب ارائه مطالب در پایان‌نامه به این صورت است که در فصل اول، مقدمه‌ای در مورد سنسور نوری ارائه شده است ، در فصل دوم معادلات اساسی نیمه‌هادیها معرفی شده‌اند، در فصل سوم روش گسسته‌سازی معادلات اساسی نیمه‌هادیها آمده است ، در فصل چهارم روش کامپیوتری و در فصل پنجم نتیجه‌گیری و پیشنهادات ارائه شده است

این نوع سنسور ها در صنعت سیمان به عنوان سرعت سنج ها و کنترل جهت کار کرد موتور ها و گاید های مکانیکی در قسمت ها ی مختلف شامل نوار ها و الواتور ها و دریچه ها استفاده می گردد