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तापमान संवेदक किसी वस्तु या उसके आसपास के वातावरण के तापमान को विद्युत संकेत में परिवर्तित करता है। लेकिन "तापमान संवेदक" कोई एक तकनीक नहीं है — इसमें कम से कम चार अलग-अलग भौतिक सिद्धांत शामिल हैं जो एक साथ मौजूद होते हैं: थर्मोकपल, जो दो भिन्न धातुओं के जंक्शन पर उत्पन्न विद्युत-प्रेरक बल का उपयोग करते हैं; आरटीडी और थर्मिस्टर, जो धातुओं या अर्धचालकों में विद्युत प्रतिरोध के तापमान के साथ परिवर्तन का उपयोग करते हैं; अर्धचालक आईसी सेंसर, जो सिलिकॉन की बैंडगैप विशेषताओं का उपयोग करते हैं; और गैर-संपर्क विकिरण थर्मामीटर, जो किसी वस्तु द्वारा उत्सर्जित अवरक्त विकिरण का सीधे पता लगाते हैं। मोटर वाइंडिंग और बैटरी सेल से लेकर सीपीयू, निकास गैस, भोजन और मानव शरीर तक, तापमान वह भौतिक मात्रा है जिसकी निगरानी लगभग हर यांत्रिक प्रणाली में सबसे पहले करनी पड़ती है, चाहे वह स्वायत्त मोबाइल रोबोट हो या डेटा सेंटर। यह कई अन्य सेंसर प्रौद्योगिकियों के पीछे चुपचाप काम करता है, जैसे बैटरी में थर्मल रनवे डिटेक्शन से लेकर एक्चुएटर्स में वाइंडिंग ओवरहीट प्रोटेक्शन तक।
टाइप K थर्मोकपल (वेल्डेड जंक्शन, म्यानयुक्त तार)
तार-लिपटा PT100 तत्व (3 मिमी व्यास)चित्र: थर्मोकपल K (3) (हार्के, सार्वजनिक डोमेन) / Wire वाउंड Pt100 रेसिस्टर (हार्के, CC BY-SA 3.0), विकिमीडिया कॉमन्स।
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सिद्धांत: चार अलग-अलग भौतिक प्रभाव जो "तापमान को बिजली में बदलते हैं"
थर्मोकपल — सीबेक प्रभाव और भिन्न धातुओं के बीच विद्युत-प्रेरक बल
थर्मोकपल दो अलग-अलग धातु के तारों के एक सिरे को जोड़ता है; जब उस जंक्शन (मापने वाला जंक्शन) और दूसरे सिरे (संदर्भ जंक्शन) के बीच तापमान का अंतर होता है, तो यह उस अंतर के समानुपाती विद्युत-प्रेरक बल (थर्मल EMF) उत्पन्न करता है। यही सीबेक प्रभाव है, और EMF V को तापमान अंतर \Delta T = T_1 - T_0 और सीबेक गुणांक S का उपयोग करके निम्नानुसार अनुमानित किया जा सकता है।
सबसे व्यापक रूप से उपयोग किया जाने वाला टाइप K थर्मोकपल (क्रोमेल-एलुमेल युग्मन) इसका सीबेक गुणांक लगभग 41\,\mu V/°C है, और इसकी सुविधा यह है कि यह 0–1000°C की विस्तृत रेंज में लगभग स्थिर रहता है। हालांकि, एक थर्मोकपल केवल "दो बिंदुओं के बीच तापमान अंतर" को माप सकता है, इसलिए मापने वाले जंक्शन पर निरपेक्ष तापमान निर्धारित करने के लिए संदर्भ जंक्शन के तापमान को अलग से जानना आवश्यक है। पारंपरिक विधि "आइस-पॉइंट कम्पेनसेशन" थी - संदर्भ जंक्शन को बर्फ के पानी (0°C) में डुबोना - लेकिन आधुनिक उपकरण आमतौर पर संदर्भ जंक्शन के पास एक अलग सेंसर (थर्मिस्टर या सेमीकंडक्टर तापमान सेंसर) लगाते हैं, इसके तापमान को मापते हैं, और गणितीय रूप से इसे ठीक करते हैं, एक अंतर्निर्मित तकनीक जिसे कोल्ड जंक्शन कम्पेनसेशन (CJC) के रूप में जाना जाता है। थर्मोकपल IEC 60584 (अंतर्राष्ट्रीय मानक) और ASTM E230 (उत्तरी अमेरिकी मानक) के तहत मानकीकृत हैं; टाइप K थर्मोकपल के लिए मानक सटीकता वर्ग IEC 60584 क्लास 2 है, जो लगभग \pm 2.2°C या \pm 0.75\% रीडिंग है, जो भी हो। उच्च परिशुद्धता वाले क्लास 1 की परिशुद्धता लगभग \pm 1.5°C तक पहुँचती है।
थर्मोकपल का मूल परिपथ: दो भिन्न धातु के तारों A और B को जोड़ने वाले मापन जंक्शन T1 और वोल्टमीटर की ओर स्थित संदर्भ जंक्शन T0 के बीच तापमान अंतर के कारण एक ऊष्मीय विद्युत परिवर्तन (ईएमएफ) उत्पन्न होता है (डस्ककॉइल द्वारा निर्मित वैचारिक आरेख)।
आरटीडी - तापमान के साथ धातु के प्रतिरोध में परिवर्तन
प्रतिरोध तापमान डिटेक्टर (आरटीडी) इस तथ्य का उपयोग करता है कि तापमान बढ़ने पर धातु का विद्युत प्रतिरोध लगभग रैखिक रूप से बढ़ता है। सबसे आम प्रकार "Pt100" है, जो उच्च शुद्धता वाले प्लैटिनम से बना होता है, जो 0°C पर 100Ω और 100°C पर लगभग 138.5Ω मापता है। प्रतिरोध और तापमान के बीच संबंध को अंतर्राष्ट्रीय मानक IEC 60751 द्वारा "कैलेंडर-वैन ड्यूसेन समीकरण" के रूप में परिभाषित किया गया है, जो 0°C से ऊपर निम्नलिखित द्विघातीय रूप लेता है।
यहाँ R_0 0°C पर प्रतिरोध है (Pt100 के लिए 100Ω), और गुणांक मानक द्वारा सख्ती से निर्धारित किए गए हैं, जैसे A = 3.9083 \times 10^{-3}\,°C^{-1} और B = -5.775 \times 10^{-7}\,°C^{-2} (0°C से नीचे एक अतिरिक्त घन पद C जोड़ा जाता है)। आरटीडी की सटीकता को आईईसी 60751 की सहनशीलता श्रेणियों के माध्यम से व्यक्त किया जाता है: श्रेणी ए \pm(0.15 + 0.002|T|)°C है और श्रेणी बी \pm(0.3 + 0.005|T|)°C है, जिससे 0°C के निकट श्रेणी ए के लिए उच्च परिशुद्धता \pm 0.15°C प्राप्त होती है, जबकि 100°C पर श्रेणी ए भी \pm 0.35°C तक विस्तारित हो जाती है — तापमान बढ़ने के साथ सहनशीलता निरपेक्ष रूप से बढ़ती है। यह थर्मोकपल के विपरीत पैटर्न है, और इसका अर्थ है कि आरटीडी 0°C के निकट कहीं अधिक सटीक होते हैं। चूंकि यह एक प्रतिरोध माप है, इसलिए लीड-वायर प्रतिरोध के प्रभाव से बचने के लिए चार तारों में करंट उत्तेजना को वोल्टेज संवेदन से अलग करना आवश्यक है — उच्च परिशुद्धता अनुप्रयोगों के लिए "4-वायर" वायरिंग आधारभूत मानक है।
थर्मिस्टर — एक अर्धचालक का घातीय प्रतिरोध परिवर्तन
सिद्धांत रूप में, थर्मिस्टर उसी प्रतिरोध-तापमान परिवार से संबंधित हैं जिससे आरटीडी संबंधित हैं, लेकिन धातु के स्थान पर धातु-ऑक्साइड अर्धचालक का उपयोग करके, वे आरटीडी की तुलना में कहीं अधिक प्रतिरोध परिवर्तन दर प्राप्त करते हैं। प्रमुख प्रकार में ऋणात्मक तापमान गुणांक (एनटीसी) होता है, और इसके प्रतिरोध-तापमान व्यवहार को निम्नलिखित बीटा समीकरण द्वारा अनुमानित किया जाता है।
यहाँ T और T_0 निरपेक्ष तापमान (केएल) हैं, और \beta एक पदार्थ-विशिष्ट स्थिरांक है, जो सामान्य उत्पादों के लिए आमतौर पर 3000-4000 केएल के आसपास होता है। क्योंकि आरटीडी की प्रतिक्रिया घातीय होती है, जहाँ 100°C के तापमान परिवर्तन पर आरटीडी का प्रतिरोध 40% से कम बदलता है, वहीं थर्मिस्टर का प्रतिरोध इसी तापमान परिवर्तन पर कई गुना अधिक बदलता है, जिससे यह एक संकीर्ण तापमान सीमा पर उच्च संवेदनशीलता वाले संवेदन के लिए उपयुक्त हो जाता है। इसका नुकसान यह है कि इस अरैखिक संवेदनशीलता के कारण एक ही समीकरण से व्यापक तापमान सीमा को कवर करना कठिन हो जाता है - व्यवहार में, इंजीनियर कई तापमान बिंदुओं पर लुकअप टेबल का उपयोग करते हैं, या स्टाइनहार्ट-हार्ट समीकरण जैसे उच्च-क्रम सन्निकटन का उपयोग करते हैं। धनात्मक तापमान गुणांक (पीटीसी) वाला एक दुर्लभ प्रकार भी मौजूद है; एक सहज प्रतिक्रिया के बजाय, एक सीमा तापमान पार करने पर इसका प्रतिरोध तेजी से बढ़ता है, इस गुण का उपयोग विद्युत परिपथों में इनरश-करंट लिमिटिंग और स्व-रीसेटिंग फ्यूज के लिए किया जाता है - ऊपर दिया गया एनटीसी चित्र स्वयं एक बिजली आपूर्ति बोर्ड पर इनरश-करंट लिमिटिंग डिवाइस का एक उदाहरण है।
सेमीकंडक्टर आईसी सेंसर — बैंडगैप और पीएन जंक्शन की तापमान निर्भरता
एक स्थिर धारा पर रखे गए सिलिकॉन पीएन जंक्शन (जैसे डायोड या ट्रांजिस्टर का बेस-एमिटर जंक्शन) पर अग्र वोल्टेज तापमान बढ़ने के साथ लगभग रैखिक रूप से घटता है (सिलिकॉन के लिए लगभग -2mV/°C)। यह निर्भरता अकेले निरपेक्ष तापमान के सापेक्ष विश्वसनीय रूप से पुनरुत्पादित नहीं होती है, लेकिन तापमान पर अलग-अलग निर्भरता वाले दो धारा घटकों को मिलाकर एक तापमान-स्वतंत्र संदर्भ वोल्टेज (एक बैंडगैप संदर्भ) बनाकर और अवशिष्ट से केवल तापमान घटक को निकालकर, इंजीनियर एक "PTAT" (निरपेक्ष तापमान के समानुपाती) परिपथ प्राप्त करते हैं — जो आधुनिक सेमीकंडक्टर तापमान सेंसर आईसी में अंतर्निहित मूल तकनीक है। 1980 के दशक में लॉन्च किया गया टेक्सास इंस्ट्रूमेंट्स (पूर्व में नेशनल सेमीकंडक्टर) का LM35 एक अग्रणी उत्पाद था जिसने इस सिद्धांत को एनालॉग वोल्टेज आउटपुट में परिवर्तित किया ( 10mV/°C ), जिससे कमरे के तापमान के निकट \pm 1/4°C और -55 से 150°C की पूरी रेंज में बिना बाहरी कैलिब्रेशन के \pm 3/4°C सटीकता प्राप्त हुई, वह भी एक सरल आउटपुट प्रारूप में। बाद में, ऑन-चिप ADC के साथ इस तापमान सिग्नल को डिजिटाइज़ करने और इसे I2C या 1-वायर जैसे डिजिटल बस पर सीधे पढ़ने वाले उत्पाद मुख्यधारा बन गए, जो मैक्सिम (अब एनालॉग डिवाइसेस) के DS18B20 जैसे 1-वायर IC और TMP117 जैसे \pm 0.1°C श्रेणी के उच्च-परिशुद्धता I2C सेंसर में विकसित हुए।
गैर-संपर्क (अवरक्त विकिरण थर्मामीटर) — स्टीफ़न-बोल्ट्ज़मैन नियम और थर्मोकपल का अप्रत्याशित पुन: उपयोग
अवरक्त विकिरण थर्मामीटर, किसी वस्तु द्वारा अपने निरपेक्ष तापमान के अनुपात में अवरक्त ऊर्जा उत्सर्जित करने के भौतिक नियम (स्टीफ़न-बोल्ट्ज़मैन नियम) का उपयोग करके, बिना संपर्क के तापमान मापते हैं। प्रति इकाई क्षेत्रफल विकिरण ऊर्जा को उत्सर्जकता (0 से 1 तक का गुणांक जो यह दर्शाता है कि कोई सतह आदर्श ब्लैकबॉडी के कितनी निकट है) और स्टीफ़न-बोल्ट्ज़मैन स्थिरांक का उपयोग करके निम्नानुसार व्यक्त किया जा सकता है।
चूंकि यह तापमान की चौथी घात के साथ आनुपातिक है, इसलिए तापमान में थोड़ा सा भी परिवर्तन विकिरण ऊर्जा में बड़ा परिवर्तन उत्पन्न करता है, जिसे एक सेंसर बिना संपर्क के तापमान निर्धारित करने के लिए कैप्चर कर सकता है। यहां दिलचस्प बात यह है कि कई डिटेक्टर तत्व जो वास्तव में इस अवरक्त ऊर्जा को विद्युत संकेत में परिवर्तित करते हैं, उन्हें "थर्मोपाइल" कहा जाता है - ये अनगिनत सूक्ष्म थर्मोकपलों से बनी संरचनाएं हैं जो श्रृंखला में जुड़ी होती हैं। जब किसी लक्ष्य वस्तु से अवरक्त किरणें डिटेक्टर की ग्रहण करने वाली सतह द्वारा अवशोषित होती हैं, तो वह सतह थोड़ी गर्म हो जाती है, और थर्मोकपलों की सरणी उस तापमान वृद्धि को संचयी रूप से, पीछे की ओर एक संदर्भ सतह के सापेक्ष अंतर के रूप में मापती है - 19वीं शताब्दी में खोजा गया सीबेक प्रभाव, आज भी तापमान संवेदन के सबसे आधुनिक रूपों में से एक, यानी गैर-संपर्क, दूरस्थ संवेदन का आधार बना हुआ है। मेलेक्सिस का MLX90614 एक डिजिटल-आउटपुट आईसी का प्रतिनिधि उदाहरण है जो इस थर्मोपाइल दृष्टिकोण को एक ही चिप में एकीकृत करता है। दूसरी ओर, द्वि-आयामी थर्मल-इमेजिंग कैमरे (जैसे कि FLIR लेप्टन) ज्यादातर थर्मोपाइल के बजाय "माइक्रोबोलोमीटर" नामक एक अलग दृष्टिकोण का उपयोग करते हैं। यह एक ऐसा उपकरण है जो आरटीडी और थर्मिस्टर के समान "प्रतिरोध की तापमान निर्भरता" सिद्धांत का उपयोग करके अवशोषित अवरक्त से पिक्सेल-दर-पिक्सेल तापमान वृद्धि को मापता है - यानी इस लेख में वर्णित प्रतिरोध-आधारित और थर्मोकपल-आधारित दोनों सिद्धांत, विभिन्न रूपों में, गैर-संपर्क अवरक्त संवेदन में सक्रिय रूप से कार्यरत हैं, जो तापमान संवेदन प्रौद्योगिकी के इतिहास में एक रोचक संयोग है।
प्रमुख उत्पादों की विशिष्टताओं की तुलना
| उत्पाद | निर्माता | पता लगाने की विधि | तापमान सीमा | सटीकता | टिप्पणियाँ |
|---|---|---|---|---|---|
| केटीएसएस श्रृंखला (टाइप के थर्मोकपल प्रोब) | ओमेगा इंजीनियरिंग (यूएस) | थर्मोकपल | स्टेनलेस स्टील आवरण के साथ -200 से 900°C (इनकोनेल 600 आवरण के साथ लगभग 1150°C तक) | मानक श्रेणी: ±2.2°C या ±0.75%, जो भी अधिक हो | सामान्य प्रयोजन के लिए लघु कनेक्टर सपोर्ट; औद्योगिक भट्टियों और निकास प्रणालियों में उच्च तापमान मापन के लिए एक विश्वसनीय प्रोब |
| M222 (Pt100 थिन-फिल्म तत्व) | हेरियस नेक्सेंसोस (जर्मनी) | आरटीडी | -70 से +500°C | श्रेणी A (±0.15°C @0°C) से श्रेणी C (±0.6°C @0°C) तक चयन योग्य | 2.3×2.1×0.9 मिमी थिन-फिल्म तत्व, DIN EN IEC 60751 के अनुरूप, ऑटोमोटिव, औद्योगिक मापन और चिकित्सा उपकरणों में व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है |
| NTCLE100E3 | विशे (अमेरिका) | एनटीसी थर्मिस्टर | -40 से +125°C | प्रतिरोध सहनशीलता ±5%, बीटा सहनशीलता ±0.75% | 25°C पर 10kΩ, β=3977K, रेडियल-लीड पैकेज, आमतौर पर पावर सप्लाई इनरश-करंट लिमिटिंग से लेकर सेंसिंग तक में उपयोग किया जाता है |
| DS18B20 | एनालॉग डिवाइसेस (पूर्व में मैक्सिम) | सेमीकंडक्टर आईसी (1-वायर डिजिटल आउटपुट) | -55 से +125°C | -10 से 85°C पर ±0.5°C | 1-वायर बस के माध्यम से एक ही सिग्नल वायर पर कई यूनिट्स को डेज़ी-चेन किया जा सकता है; चयन योग्य 9–12 बिट रिज़ॉल्यूशन (0.5–0.0625°C स्टेप्स) |
| TMP117 | टेक्सास इंस्ट्रूमेंट्स (यूएस) | सेमीकंडक्टर आईसी (I2C डिजिटल आउटपुट) | -55 से +150°C | -20 से 50°C तक ±0.1°C, -55 से 125°C तक भी ±0.25°C | 0.0078°C पर 16-बिट रिज़ॉल्यूशन, कम 3.5µA सप्लाई करंट, सिंगल चिप पर PT100-क्लास सटीकता प्रदान करता है |
| MLX90614 | मेलेक्सिस (बेल्जियम) | नॉन-कॉन्टैक्ट इन्फ्रारेड (थर्मोपाइल) | ऑब्जेक्ट -70 से +382.2°C, परिवेश -40 से +125°C | मानक ±0.5°C (सीमित रेंज में मेडिकल-ग्रेड ±0.1°C विकल्प उपलब्ध) | SMBus डिजिटल आउटपुट, 0.02°C रिज़ॉल्यूशन, सिंगल TO-39 कैन में 17-बिट ADC और सिग्नल-प्रोसेसिंग ASIC एकीकृत |
ओमेगा की KTSS श्रृंखला औद्योगिक भट्टियों और निकास गैस जैसे उच्च तापमान और कठोर वातावरणों के लिए एक मानक थर्मोकपल प्रोब लाइन है, और यह एक लघु कनेक्टर मानक का समर्थन करती है जो सीधे हाथ में पकड़े जाने वाले उपकरणों में प्लग हो जाता है। हेरियस का M222 एक प्रतिनिधि पतली-फिल्म Pt100 तत्व है जो ऑटोमोटिव इंजन नियंत्रण और एंटी-लॉक ब्रेक से लेकर घरेलू उपकरणों के तापमान प्रबंधन तक, बड़े पैमाने पर उत्पादित उपकरणों में निर्मित होता है, और यह उत्पाद-लाइन विकल्पों के रूप में सीधे मानक की क्लास A से C तक की सहनशीलता प्रदान करने के लिए उल्लेखनीय है। विशे के NTCLE100E3 जैसे NTC थर्मिस्टर कुछ सेंट से लेकर एक डॉलर तक की कीमत सीमा में आते हैं, और बिजली आपूर्ति में अचानक धारा को सीमित करने से लेकर लिथियम-आयन बैटरी पैक में सेल तापमान की निगरानी तक, कम लागत के बदले में, महंगे विकल्पों की तुलना में कई गुना अधिक उत्पादन मात्रा में उपयोग किए जाते हैं।
DS18B20 की सबसे बड़ी खासियत इसकी 1-वायर बस है — एक संचार विधि जो कई सेंसरों को एक ही सिग्नल वायर पर आपस में जोड़ने की सुविधा देती है — और Arduino और Raspberry Pi के आसपास के शौकिया इलेक्ट्रॉनिक्स समुदाय में इसे लंबे समय से मानक माना जाता रहा है। TMP117 एक और सेमीकंडक्टर IC है, लेकिन इसका उद्देश्य DS18B20 से अधिक सटीकता प्रदान करना है; जैसा कि टेक्सास इंस्ट्रूमेंट्स खुद कहता है, यह "गैर-चिकित्सा अनुप्रयोगों में PT100 के विकल्प के रूप में काम कर सकता है," और एक ही चिप में RTD-श्रेणी की सटीकता प्रदान करता है। MLX90614 एक प्रतिनिधि गैर-संपर्क सेंसर है जिसे उन अनुप्रयोगों के लिए चुना गया है जहां आप लक्ष्य को छुए बिना मापना चाहते हैं — जैसे कि किसी घूमती हुई वस्तु का सतही तापमान, या खाद्य और चिकित्सा क्षेत्र जहां संदूषण से बचना आवश्यक है।
इतिहास: बिजली समझी गई एक खोज से लेकर लैपटॉप में ऊष्मा प्रबंधन तक
सीबेक ने अपनी ही खोज को "चुंबकत्व" समझ लिया
सीबेक प्रभाव, जो थर्मोकपल का मूल सिद्धांत है, की खोज 1821 में जर्मन भौतिक विज्ञानी थॉमस जोहान सीबेक ने की थी। सीबेक एक प्रयोग कर रहे थे जिसमें उन्होंने दो अलग-अलग धातुओं (तांबा और बिस्मथ) को एक लूप में जोड़ा और उनके जोड़ पर तापमान का अंतर लगाया। उन्होंने देखा कि पास में रखी कंपास की सुई विक्षेपित हो गई। इससे सीबेक ने निष्कर्ष निकाला कि "तापमान के अंतर ने धातु को चुम्बकित कर दिया और उस चुम्बकत्व ने कंपास को विक्षेपित कर दिया।" उन्होंने इस घटना को पृथ्वी के चुंबकत्व और ज्वालामुखी गतिविधि से जोड़कर समझाने का प्रयास किया। वास्तव में, तापमान के अंतर ने परिपथ में एक धारा प्रवाहित की और उस धारा द्वारा उत्पन्न चुंबकीय क्षेत्र ने कंपास को विक्षेपित कर दिया। दूसरे शब्दों में, सीबेक ने बिजली की खोज तो कर ली थी, लेकिन उन्होंने इसे चुंबकीय घटना समझकर अपने निष्कर्ष प्रकाशित कर दिए। बाद में हंस क्रिश्चियन ओर्स्टेड ने इस घटना की सही व्याख्या करते हुए इसे विद्युतीय घटना बताया, और आज, पेल्टियर प्रभाव के साथ मिलकर, इसे "पेल्टियर-सीबेक प्रभाव" के नाम से जाना जाता है। स्वयं खोजकर्ता द्वारा अपनी ही खोज की वास्तविक प्रकृति को गलत पहचानना एक असामान्य घटना है जिसका उल्लेख विज्ञान के इतिहास में बार-बार किया जाता है।
कैलेंडर ने प्लैटिनम प्रतिरोध थर्मामीटर को "बेकार" होने से बचाया
आरटीडी की उत्पत्ति 1871 में हुई, जब जर्मन मूल के इंजीनियर विलियम सीमेंस ने बेकरियन व्याख्यान में विद्युत प्रतिरोध की तापमान निर्भरता पर आधारित तापमान-मापन विधि प्रस्तुत की। हालांकि, लॉर्ड केल्विन और जेम्स क्लर्क मैक्सवेल सहित ब्रिटिश एसोसिएशन फॉर द एडवांसमेंट ऑफ साइंस की एक समिति ने उस समय उपकरण की जांच की और एक आलोचनात्मक रिपोर्ट जारी की, जिसमें एक खामी की ओर इशारा किया गया था, जिसके अनुसार इन्सुलेटिंग सामग्री प्लैटिनम पर दबाव डालती थी और उसके प्रतिरोध मान को अस्थिर कर देती थी। यह ब्रिटिश भौतिक विज्ञानी ह्यू लॉन्गबोर्न कैलेंडर थे जिन्होंने इस गतिरोध को तोड़ा; लगभग 1885 में उन्होंने इन्सुलेटिंग सामग्री में सुधार किया और इच्छित माप सीमा की ऊपरी सीमा से अधिक तापमान पर एनीलिंग करके स्थिरता सुनिश्चित की। कैलेंडर द्वारा प्रतिपादित प्रतिरोध-तापमान सन्निकटन ने 600°C की सीमा में 1% की सटीकता प्राप्त की, और यही आज के कैलेंडर-वैन ड्यूसेन समीकरण का प्रोटोटाइप बन गया। सीमेंस के मूल प्रस्ताव से लेकर कैलेंडर के सुधारों और आरटीडी के एक वास्तविक मापन उपकरण के रूप में स्थापित होने तक लगभग 30 वर्षों का समय यह दर्शाता है कि एक ठोस सिद्धांत की खोज और उसे वास्तव में उपयोगी बनाने के लिए आवश्यक इंजीनियरिंग दृढ़ता दो बहुत अलग बातें हैं।
थर्मिस्टर सिद्धांत जिसे फैराडे ने 150 वर्ष पहले खोजा था
थर्मिस्टर्स के अंतर्निहित घटनाक्रम - कि तापमान बढ़ने पर अर्धचालक का प्रतिरोध घटता है - को सबसे पहले माइकल फैराडे ने दर्ज किया था, जिन्हें विद्युत चुम्बकीय प्रेरण के खोजकर्ता के रूप में जाना जाता है। 1833 में, फैराडे ने देखा कि तापमान बढ़ने पर सिल्वर सल्फाइड का विद्युत प्रतिरोध नाटकीय रूप से घट जाता है, और इसे अर्धचालक गुण को प्रदर्शित करने वाला पहला वैज्ञानिक प्रमाण माना जाता है। हालांकि, इस घटना को वास्तविक उत्पाद के रूप में बाजार तक पहुंचने में लगभग 100 साल लग गए; वाणिज्यिक उत्पादन अंततः 1930 में शुरू हुआ, जब अमेरिकी आविष्कारक सैमुअल रुबेन ने एक व्यावहारिक निर्माण प्रक्रिया स्थापित की। रुबेन ने बाद में पारा और क्षारीय बैटरियों के व्यावहारिक विकास में भी योगदान दिया और उन्हें बैटरी शोधकर्ता के रूप में भी जाना जाता है। इस तथ्य कि इस घटना की खोज से लेकर व्यावहारिक उपयोग तक लगभग एक सदी का समय लगा, यह सीबेक प्रभाव के विपरीत है, जिसकी खोज उसी 19वीं शताब्दी में हुई थी, और जिसे थर्मोकपल के रूप में अपेक्षाकृत जल्दी व्यावहारिक उपयोग में लाया गया था।
"बैंडगैप के बादशाह" के नाम से मशहूर शख्स
सेमीकंडक्टर तापमान संवेदक आईसी के मूल में स्थित बैंडगैप-रेफरेंस सर्किट डिजाइन में महारत हासिल करने वाले इंजीनियर रॉबर्ट (बॉब) पीज़, नेशनल सेमीकंडक्टर (अब टेक्सास इंस्ट्रूमेंट्स के अधीन) में कार्यरत थे। पीज़ ने 1976 में कंपनी में काम शुरू किया और अपने 33 वर्षों के कार्यकाल में 21 पेटेंट और 20 से अधिक एकीकृत सर्किट डिजाइन पर काम किया। अपने असाधारण एनालॉग डिजाइन कौशल के कारण सहकर्मियों ने उन्हें "बैंडगैप के बादशाह" का उपनाम दिया। वे LM35 सहित तापमान संवेदक आईसी के विकास और मूल्यांकन में अपनी गहरी भागीदारी के लिए भी जाने जाते हैं। एक किस्सा यह भी है कि उन्होंने LM35 को कैलिब्रेट करने के लिए एक अति-उच्च परिशुद्धता, अति-स्थिर तापमान-नियंत्रित बाथ का इस्तेमाल किया, जिसे उन्होंने खुद इस उद्देश्य के लिए बनाया था। सेमीकंडक्टर प्रक्रिया में होने वाले बदलावों और निर्माण त्रुटियों को समाहित करते हुए, केवल सिलिकॉन चिप से मिलिकेलविन-स्तरीय तापमान परिशुद्धता प्राप्त करने की तकनीक, पीज़ जैसे कुछ गिने-चुने एनालॉग डिज़ाइनरों द्वारा विकसित शिल्प कौशल का ही विस्तार है।
एक वास्तविक उदाहरण: एक F1 कार 12 गैर-संपर्क सेंसरों का उपयोग करके "टायरों को छुए बिना" उनका तापमान मापती है
फ्लूक 561 इन्फ्रारेड थर्मामीटर (टाइप K थर्मोकपल प्रोब के साथ)चित्र: Industrial इन्फ्रारेड थर्मामीटर जिसमें अतिरिक्त तापमान प्रोब लगा है (KalWadin, CC BY-SA 4.0), विकिमीडिया कॉमन्स। एक ऐसे हैंडहेल्ड डिवाइस का उदाहरण जो एक ही यूनिट में नॉन-कॉन्टैक्ट इन्फ्रारेड डिटेक्शन और कॉन्टैक्ट-टाइप थर्मोकपल प्रोब दोनों को जोड़ता है।
एक वास्तविक उदाहरण जो तापमान सेंसरों की उपयोगिता को दर्शाता है - चाहे मल्टी-यूनिट हो या नॉन-कॉन्टैक्ट - फॉर्मूला 1 (F1) कारों में टायर के तापमान की निगरानी है। F1 टायरों की ग्रिप विशेषताएँ रबर के तापमान के साथ नाटकीय रूप से बदलती हैं, इसलिए कार के चलते समय वास्तविक समय में और बिना संपर्क के सतह के तापमान को मापना सेटअप ट्यूनिंग और रेस रणनीति दोनों में सीधा योगदान देता है। यहाँ उपयोग किया गया उत्पाद फ्रांस की टेक्सेन्स द्वारा विकसित "IRN8C-F1" इन्फ्रारेड ऐरे सेंसर है, जिसका उपयोग 2020 के दशक की F1 ग्रिड की 90% से अधिक टीमें कर रही हैं। यह डिवाइस एक ही हाउसिंग में इन्फ्रारेड डिटेक्टर तत्वों के आठ चैनल पैक करता है, जिससे यह एक ही बार में टायर की चौड़ाई में 8 बिंदुओं पर तापमान वितरण को पढ़ सकता है, और इसे 950 मिमी तक की दूरी से मापने के लिए अनुकूलित किया गया है। एक वास्तविक कार में, सामान्य कॉन्फ़िगरेशन में चारों पहियों में से प्रत्येक पर एक सेंसर लगाया जाता है; जब एक टायर पर कई यूनिट का उपयोग किया जाता है (उदाहरण के लिए, अंदर/बाहर/केंद्र बिंदु माप के लिए तीन), तो एक कार लगभग 12 IR सेंसर ले जा सकती है जो टायर की सतहों की वास्तविक समय में निगरानी करते हैं। घूमते और तेज़ गति से चलते टायर की सतह पर सीधे संपर्क-प्रकार के थर्मोकपल या RTD लगाना भौतिक रूप से लगभग असंभव है - स्टीफ़न-बोल्ट्ज़मैन नियम पर आधारित गैर-संपर्क पहचान का मूल सिद्धांत ही वह पूर्व शर्त है जो इस अनुप्रयोग को संभव बनाती है।
"अदृश्य तापमान विचलन" जो बल-संवेदक की सटीकता को चुपचाप प्रभावित करता है
तापमान सेंसर का उपयोग केवल स्वयं ही नहीं किया जाता है - वे अन्य सेंसर की सटीकता को भी चुपचाप प्रभावित करते हैं या बिगाड़ते हैं। फरवरी 2025 में प्रकाशित एक शोध पत्र, "गेटेड रिकरेंट यूनिट का उपयोग करके छह-अक्षीय बल/टॉर्क सेंसर की तापमान क्षतिपूर्ति विधि" (ह्यून-बिन किम, सेओकजू ली, ब्योंग-इल हैम, क्यूंग-सू किम), इस बात की पड़ताल करता है कि तापमान परिवर्तन से छह-अक्षीय बल/टॉर्क (F/T) सेंसर की सटीकता कितनी बुरी तरह प्रभावित होती है। फोटोकपलर-आधारित F/T सेंसर का हल्का 45 ग्राम का डिज़ाइन इसे कम तापीय द्रव्यमान देता है, इसलिए थोड़ी सी भी ऊष्मा उत्पन्न होने पर आंतरिक तापमान में तेज़ी से उतार-चढ़ाव होता है, जिससे डार्क करंट में परिवर्तन होता है और वास्तविक समय में बल और टॉर्क के अनुमान की सटीकता कम हो जाती है। पारंपरिक मल्टीलेयर परसेप्ट्रॉन (MLP) या न्यूनतम-वर्ग-आधारित तापमान सुधार के बजाय, यह शोध पत्र एक GRU (गेटेड रिकरेंट यूनिट) का उपयोग करके एक सुधार विधि का प्रस्ताव करता है, जो समय-श्रृंखला डेटा को संभालता है, और पारंपरिक विधियों की तुलना में सटीकता में सुधार की रिपोर्ट करता है। किसी बल संवेदक की कैटलॉग स्पेसिफिकेशन शीट पढ़ते समय इस बात पर ध्यान न देना आसान है, लेकिन संवेदक द्वारा उत्पन्न ऊष्मा और परिवेश के तापमान में उतार-चढ़ाव से उत्पन्न विचलन एक ऐसा अप्रत्यक्ष कारक है जो वास्तविक संचालन में रोबोटिक भुजा के सटीक बल नियंत्रण को प्रभावित करता है। तापमान संवेदन को मशीन लर्निंग के साथ मिलाकर इस समस्या को दूर करने के लिए शोध आज भी जारी है।
प्रदर्शन निर्धारित करने वाले पैरामीटर
- मापन सिद्धांत बनाम तापमान सीमा: एक टाइप K थर्मोकपल -200 से 1350°C तक की अत्यंत विस्तृत सीमा को कवर कर सकता है, जबकि एक RTD (Pt100) -200 से 850°C तक, थर्मिस्टर लगभग -55 से 150°C तक और सेमीकंडक्टर IC जैसे DS18B20 -55 से 125°C तक या TMP117 -55 से 150°C तक के तापमान को कवर करते हैं। तापमान जितना अधिक होगा, थर्मोकपल ही एकमात्र विकल्प बचता जाएगा। सेमीकंडक्टर आईसी और थर्मिस्टर को निकास गैस या औद्योगिक भट्टियों जैसे उच्च तापमान वाले वातावरण में उपयोग नहीं किया जा सकता है।
- सटीकता बनाम तापमान निर्भरता: एक आरटीडी (क्लास ए, 0°C के निकट ±0.15°C) या एक टीएमपी117 (-20 से 50°C तक ±0.1°C) एक संकीर्ण तापमान सीमा पर उच्च सटीकता प्रदान करता है, लेकिन तापमान बढ़ने पर सहनशीलता स्वयं ही बढ़ जाती है। इसके विपरीत, एक थर्मोकपल की मानक सटीकता (±2.2°C या ±0.75%) लगभग पूरे तापमान सीमा में एक स्थिर आनुपातिक त्रुटि के रूप में बनी रहती है, जिससे यह उन अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त हो जाता है जो पूर्ण सटीकता की तुलना में व्यापक, उच्च तापमान सीमा में मजबूती को प्राथमिकता देते हैं।
- प्रतिक्रिया गति और तापीय द्रव्यमान: थर्मिस्टर और थर्मोकपल में कम तापीय द्रव्यमान वाले छोटे तत्व होते हैं, इसलिए वे तेजी से प्रतिक्रिया करते हैं, जबकि एक एनकैप्सुलेटेड आरटीडी तत्व में उच्च तापीय द्रव्यमान होता है और यह अधिक धीरे-धीरे प्रतिक्रिया करता है। MLX90614 जैसे नॉन-कॉन्टैक्ट टाइप के उपकरण को टारगेट को छूने या थर्मल इक्विलिब्रियम की प्रतीक्षा करने की आवश्यकता नहीं होती है, इसलिए यह उन टारगेट पर भी तापमान को तुरंत माप सकता है जहां संपर्क माप मुश्किल होता है, जैसे कि घूर्णनशील सतह।
- स्व-तापन: थर्मिस्टर और आरटीडी दोनों को माप के लिए उनमें से करंट प्रवाहित करने की आवश्यकता होती है, और वह करंट स्वयं जूल ऊष्मा उत्पन्न करता है जो एलिमेंट को थोड़ा गर्म करता है। यह तथ्य कि LM35 मात्र 60µA की आपूर्ति धारा पर स्व-तापमान को 0.1°C से नीचे रखता है, और TMP117 केवल 3.5µA की कम धारा खपत का दावा करता है, यह दर्शाता है कि सटीकता बढ़ाने के लिए स्व-तापमान को कम करना डिजाइन का एक प्रमुख लक्ष्य बन जाता है।
- वायरिंग और कार्यान्वयन लागत: RTD के साथ उच्च सटीकता प्राप्त करने के लिए 4-वायर वायरिंग की आवश्यकता होती है, जिससे वायरिंग की लागत बढ़ जाती है, जबकि DS18B20 की 1-वायर बस एक ही सिग्नल वायर पर कई इकाइयों को डेज़ी-चेन कर सकती है, जिससे मल्टी-पॉइंट माप के लिए तारों की संख्या में काफी कमी आती है। इलेक्ट्रिक वाहन बैटरी पैक जैसे अनुप्रयोगों में, जिनमें दर्जनों से लेकर सैकड़ों तापमान निगरानी बिंदुओं की आवश्यकता होती है, तारों की संख्या में यह अंतर सीधे तौर पर कार्यान्वयन लागत को प्रभावित करता है।
- गैर-संपर्क विकल्प का महत्व: जैसा कि F1 में IRN8C-F1 दर्शाता है, जब कोई लक्ष्य उच्च गति से घूमता है, तो संदूषण से बचना आवश्यक है, अन्यथा संपर्क ही मापी जा रही प्रक्रिया को बाधित कर सकता है। स्टीफ़न-बोल्ट्ज़मैन नियम पर आधारित गैर-संपर्क माप यह निर्धारित करता है कि सटीकता की बात आने से पहले माप संभव भी है या नहीं। हालांकि, उत्सर्जन क्षमता \varepsilon सेटिंग में गलती होने से रीडिंग में काफी अंतर आ जाता है, इसलिए संपर्क-आधारित संवेदन की तुलना में लक्ष्य की सतह की विशेषताओं (चमक, पदार्थ) को समझना कहीं अधिक महत्वपूर्ण है।
क्या थर्मल-कैमरा का तापमान पदार्थ से स्वतंत्र होता है?
उत्सर्जन क्षमता, परावर्तन, संचरण और देखने की स्थितियाँ आभासी तापमान को प्रभावित करती हैं। केवल रंग के अंतर से सटीक तापमान अंतर का पता नहीं चलता।
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