بررسی تجهیزات و روش های اندازه گیری دما

بررسی تجهیزات و روش های اندازه گیری دما

درجه حرارت یکی از معمول ترین و مهم ترین کمیتی است که برای کنترل اکثر فرآیندهای صنعتی باید اندازه گیری شود. در این مقاله قصد داریم به بررسی تجهیزات و روش های اندازه گیری دما بپردازیم.

چهار روش کلی برای اندازه گیری دما وجود دارد که بر اساس چهار اصل اساسی کار می کنند:

تغییر در ظرفیت اتصال دو فلز غیر مشابه به وسیله دما: در ترموکوپل ها مورد استفاده قرار می گیرد.
تغییر در مقاومت الکتریکی به وسیله دما: در اندازه گیرهای مقاومتی و ترمیستورها استفاده می شوند.
انبساط یک ماده به وسیله دما: تغییری در طول، حجم و فشار ایجاد می کند و نمونه بارز آنها ترمومترهای جیوه ای یا الکلی هستند.
تغییر در انرژی تابشی به وسیله دما: در اندازه گیرهای تشعشعی و نوری مورد استفاده قرار می گیرند.

اندازه گیرهای انبساطی دما

قدیمی ترین روش اندازه گیری دما، اندازه گیری انبساط یک کمیت فیزیکی مانند طول، سطح و حجم به وسیله دما است. در این روش، دما به یک کمیت مکانیکی (معمولاً جابجایی) تبدیل می گردد. ترمومتر جیوه ای و الکلی مثال آشنای اندازه گیرهای انبساطی هستند. این اندازه گیرها، دما را به جابه جایی ستون جیوه یا ستون الکل در لوله، تبدیل می کنند.

در بسیاری از موارد برای استفاده از مزایای کمیتهای الکتریکی، کمیت اندازه گیری شده مثلاً تغییر ارتفاع جیوه در لوله را به یک کمیت الکتریکی تبدیل می کنند. اگر به دور لوله ترمومتر جیوه ای یک سیم پیچ بسته شود، آنگاه تغییرات ارتفاع ستون جیوه را می توان به تغییرات ضریب خود القائی سیم پیچ تبدیل نمود و با استفاده از مدارات واسط دیگر، دمای اندازه گیری شده را به یک کمیت الکتریکی تبدیل کرد.
انواع دماسنج ها و طرز کار آن ها

تعریف دماسنج

دماسنج معمولاً از یک لوله شیشه ای که دو طرف آن بسته و در قسمت پایین آن مخزنی پر از جیوه یا الکل است تشکیل می گردد. برای مدرج ساختن آن، ترمومترهای جیوه ای را در ظرف بخار آبی که در حال جوش است کنار دریا قرار دهید. جیوه بر اساس خاصیت انبساط اجسام در مقابل حرارت در لوله بالا می رود و در نقطه ای که توقف می کند آن نقطه را با عدد ۱۰۰ علامت گذاری نموده سپس مخزن جیوه را در یخ قرار دهید.

جیوه از لوله پایین می آید و در نقطه ای متوقف می شود که نقطه صفر و در حقیقت نقطه انجماد آب یا نقطه ذوب یخ است. آنگاه میان این دو رقم را با اعداد علامت گذاری نمایید که هر قسمت را یک درجه می نامند. این گونه ترمومترها که به صد درجه تقسیم شده اند را ترمومتر سانتیگراد می نامند. غیر از این نوع درجه بندی، انواع دیگری نیز وجود دارد که ترمومتر رئومور و ترمومتر فارنهایت هستند.

محدودۀ کاری دماسنج

باید توجه داشته باشید که با ترمومترهای جیوه ای نمی توانید دماهای کمتر از ۳۵ درجه زیر صفر را اندازه گیری نمایید، زیرا جیوه در ۳۹- درجه سانتی گراد منجمد می شود. به همین دلیل برای اندازه گیری دمای کمتر از ۳۹- درجه سانتی گراد از ترمومترهای الکلی استفاده کنید، زیرا الکل در ۱۲۰ درجه سانتی گراد مایع است و بالعکس در ۷۸ درجه سانتیگراد به جوش می آید از این روی ترمومترها را به صورت ترکیبی از الکل و جیوه می سازند.

این نوع دماسنج می تواند حداکثر درجه حرارت و حداقل آن را در مدت معینی مثلاً یک شبانه روز تعیین کند و برای اینکه جای زیادی را اشغال نکند ساقه آن را دو مرتبه خم می کنند و در قسمت خمیده آن جیوه ریخته شده و بدین ترتیب الکل به دو قسمت تقسیم می شود: یک قسمت در طرف راست لوله باقی می ماند که بالای آن حباب خالی از هواست و کمى الکل در آن بخار می شود و طرف چپ آن منتهی به مخزن الکل است. در بالای دو طرف جیوه دو سوزن فولادی موسوم به نشانه قرا دارد.

دماسنج ترمومتری پزشکی

این دماسنج جهت اندازه گیری حرارت بدن به کار می رود و چون حد متوسط حرارت بدن انسان ۳۷ درجه سانتیگراد (۹۸٫۵ درجه فارنهایت) است، در ترمومترهای پزشکی بر اساس سانتی گراد بین ۳۲ تا ۴۲ می شود. برای اینکه در لحظۀ جدا شدن ترمومتر از بدن انسان (زیر زبان، زیر بغل و…) و برخورد با حرارت یا برودت محیط، جیوه داخل ترمومتر تغییر مکان پیدا نکند، خمیدگی مخصوصی در انتهای لوله ترمومتر نزدیک مخزن جیوه قرار داده شده و هر بار که بخواهید از آن استفاده کنید باید چندین بار ترمومتر را به طرف مخزن تکان شدید بدهید تا جیوه داخل لوله از خمیدگی بگذرد و کامل وارد مخزن گردد.

دماسنج جیوه ای

دماسنج گازی

جنس، ساختمان و ابعاد دماسنج در ادارات و موسسات مختلف سراسر دنیا که این دستگاه را به کار می برند تفاوت دارد و به طبیعت گاز و گستره دمایی که دماسنج برای آن در نظر گرفته شده است، بستگی دارد. این دماسنج شامل حبابی از جنس شیشه، چینی، کوارتز، پلاتین یا پلاتینایریدیم (بسته به گستره دمایی که دماسنج در آن بکار می رود) است که به وسیله یک لوله موئین به فشارسنج جیوه ای متصل می شود. این دماسنج براساس دو قانون ذکر شده در مورد گاز کامل کار می کند.

قوانین گازها
قانون بویل-ماریوت

حجم مقدار معینی از هر گاز در دمای معین با فشاری که بر آن گاز وارد می شود، رابطه تناسبی معکوس دارد. از سوی دیگر فشار هر گاز موجود در حجم معین، به ازای هر یک درجه سانتی گراد افزایش دما، به اندازه ۱٫۲۷۳ حجم اولیه اش افزایش می یابد. که این دو قانون اساس ساخت دماسنج های گازی هستند.

دماسنج مایعی

این نوع دماسنج یکی از رایج ترین انواع دماسنج های مورد استفاده در صنعت و غیره بوده و عمدتاً به عنوان دماسنج های جیوه ای یا الکلی شناخته می شوند. ساختمان این نوع دماسنج ها از یک مخزن مایع و یک لوله مویین تشکیل شده که مایع درون مخزن در اثر انبساط از لوله مویین بالا رفته و دمای متناسب را نشان می دهد. دماسنج جیوه ای را می توان برای اندازه گیری دما از ۳۷٫۸ – تا ۳۱۵ درجه سانتیگراد استفاده نمود. اما اگر فضای بالای سطح جیوه را از گاز ازت پر کنند، می تواند تا دمای ۵۳۸ درجه از آن استفاده نمود.

دماسنج انبساط سیال

این نوع دماسنج یکی از با صرفه ترین، رایج ترین و تطبیق پذیرترین وسایل اندازگیری دما در صنعت است. اساس کار این دماسنج به این گونه است که با افزایش دما، فشار درون حباب که می تواند محتوی مایع، گاز یا بخار باشد، بالا رفته و توسط فشارسنج اندازه گیری می شود. طول لوله مویین می تواند تا ۶۰ متر باشد؛ اما این مقدار بر دقت اندازه گیری دما تأثیر گذار خواهد بود. بهترین حالت زمانی است که از لوله مویین کوتاه که به یک ترانس دیوسر فشار الکتریکی متصل شده استفاده کنید.

دماسنج الکتریکی

این نوع دماسنج ها اصولاً کاربردهای فراوانی در صنعت داشته و قادرند از دماهای پایین تا دماهای بسیار بالا را اندازه گیری کنند. بیشتر به صورت مقاومتی و ترموکوپل هستند. دماسنج مقاومتی به صورت یک سیم بلند و ظریف است، معمولاً آنرا به دور یک قاب نازک می پیچند تا از فشار ناشی از تغییر طول سیم که در اثر انقباض آن در موقع سرد شدن پیش می آید، جلوگیری کند.

در شرایط ویژه می توان سیم را به دور جسمی که قصد اندازه گیری دمای آن است، پیچید یا در داخل آن قرار داد. در گستره دمای خیلی پایین، (دماسنج های مقاومتی) معمولاً از مقاومت های کوچک رادیویی با ترکیب کربن یا بلور ژرمانیوم که ناخالصی آن آرسنیک است استفاده می شود و جسم حاصل در درون یک کپسول مسدود شده پر از هلیوم قرار دارد.

این دماسنج را می توان بر روی سطح جسمی که قصد اندازه گیری دمای آن است نصب نمود یا در حفره هایی که برای این منظور ایجاد شده است، قرار داد. دماسنج مقاومتی پلاتینی را می توان برای کارهای خیلی دقیق در گستره ۲۵۳ تا ۱۲۰۰ درجه سانتی گراد به کار برد.

مبدل های دما Temperature Transducers

تحقیقات در زمینۀ سوخت، انرژی خورشیدی، موتورهای جدید و نیز صرفه جویی در انرژی از مسائل بسیار مهم و فعال مراکز تحقیقاتی است. در تمامی موارد یاد شده، اندازه گیری دقیق دما از اهمیت خاصی برخوردار است. در کلیۀ کارخانجات تولیدی، مستقل از نوع تولید، نوعی پروسه حرارتی وجود دارد که جهت اندازه گیری، نمایش و نیز کنترل دما نیاز به مبدل های دما است.

مزایا و معایب کلی این چهار سنسور

مزایا و معایب ترموکوپل

مزایا: عدم نیاز به منبع تغذیه، سادگی عملکرد و ارزانی، محدودۀ اندازه گیری وسیع
معایب: رفتار غیر خطی، ولتاژ پایین، نیاز به نقطه مرجع، پایداری کم، حساسیت کم

مزایا و معایب RTD

مزایا: پایداری زیاد، دقت بالا، رفتار خطی بهتر از ترموکوپل
معایب: قیمت بیشتر، نیاز به منبع جریان، خود گرمایی

مزایا و معایب ترمیستور

مزایا: خروجی زیاد، پاسخ سریع، دوسیمه بودن برای اندازه گیری
معایب: رفتار غیر خطی، محدوده اندازه گیری کم، نیاز به منبع جریان، خودگرمایی

مزایا و معایب آی سی های سنسور دما

مزایا: رفتار خطی، خروجی بالا، قیمت مناسب
معایب: حداکثر دمای اندازه گیری ۲۰۰ درجه، سرعت پاسخ کم، خود گرمایی

ترموکوپل چیست؟

ترموکوپل وسیله ای است که از اتصال دو فلز ناهمسان به یکدیگر تشکیل شده و با حرارت دیدن محل اتصال این دو فلز، به دلیل ضریب انبساط متفاوت آن ها، افزایش تغییر طول متفاوت را می توان به سیگنال الکتریکی تبدیل کرد. حرکت الکترون ها از هادی با چگالی الکترون آزاد بیشتر به سمت هادی با چگالی الکترون آزاد کمتر جریان الکتریکی ایجاد می کند و وجود حفره های مثبت در یک سمت و الکترون های آزاد در سمت دیگر باعث ایجاد ولتاژ می شود.

ترموکوپل ها متداول ترین اندازه گیرهای الکتریکی دما در صنعت هستند. در این نوع دماسنج از خاصیت انبساط و انقباض اجسام جامد استفاده می گردد. گستره یک ترموکوپل بستگی به موادی دارد که ترموکوپل از آن ساخته شده است. گستره یک ترموکوپل پلاتنیوم-ایرودیوم که ۱۰ درصد پلاتینیوم دارد، از صفر تا ۱۶۰۰ درجه است. ترموکوپل به دلیل جرم کوچک، خیلی سریع با سیستمی که اندازه گیری دمای آن مورد نظر است، به حال تعادل گرمایی در می آید و این یکی از مزیت های ترموکوپل است؛ لذا تغییرات دما به آسانی بر آن اثر می کند، ولی دقت دماسنج مقاومتی پلاتین را ندارد.

عملکرد ترموکوپل

با حرارت دادن محل اتصال دو فلز تشکیل دهنده ترموکوپل در دو سر دیگر آن که اتصالی وجود ندارد، اختلاف پتانسیل ایجاد شده و ولتاژ تولید می شود این ولتاژ بسیار ضعیف است و از آن جایی که از طریق حرارت در ترموکوپل ایجاد می شود، کارکرد آن تابع دما است. در نتیجه، ترموکوپل در هر دما ولتاژ مشخصی تولید کرده و با افزایش دما، ولتاژ تولید شده نیز افزایش می یابد. ولتاژی تولید شده توسط ترمومتر به دما تبدیل می شود.

همچنین رفتار الکتریکی یک ترموکوپل وابسته به آلیاژ مورد استفاده در آن است. از رایج ترین آلیاژهایی که در ترموکوپل ها مورد استفاده واقع می شوند می توان از آلیاژ کروم، نیکل نام برد.

همان گونه که می دانید بعضی از اجسام، الکترون از دست می دهند و بعضی دیگر الکترون جذب می کنند در نتیجه، بین دو جسم غیرمشابه هنگام اتصال، انتقال الکترون صورت می گیرد. فلزات فعال در درجه حرارت معمولی اتاق نیز می توانند الکترون آزاد کنند برای مثال، اگر مس و روی را به یکدیگر متصل کنیم، الکترون ها از اتم مس خارج و به اتم روی وارد می شوند در نتیجه، فلز روی الکترون های اضافی کسب می کند و به طور منفی باردار می شود و مس که الکترون های خود را از دست داده است دارای بار مثبت می شود.

بارهایی که در درجه حرارت اتاق تولید می شوند کم هستند زیرا انرژی حرارتی کافی برای آزاد کردن الکترون های بیشتر وجود ندارد، اما اگر محل اتصال دو فلز را حرارت دهیم انرژی بیشتری تولید می شود و الکترون های بیشتری آزاد می گردند به این روش (ترموالکتریسته) گفته می شود هر چه حرارت بیشتر باشد بار بیشتری تولید می گردد. هنگامی که حرارت قطع شود، فلزها سرد می شوند و بارها از بین می روند به اتصال این دو فلز (ترموکوپل) می گویند.

به طور خلاصه، باید نکات ذیل را در رابطه با سیستم های دارای ترموکوپل رعایت نمایید.

۱- در محدوده اندازه گیری دما، از بزرگترین مقطع ممکن سیم استفاده نمایید تا خطای کمتری داشته باشید.

۲- از سیم معمولی برای اندازه گیری دما استفاده نکنید و حتی الامکان زوج سیم ها شیلد شده باشند تا نویز بر آنها تأثیر نداشته باشد.

٣- از ایجاد تنش و لرزه مکانیکی که باعث فشار در سیم می گردد خودداری کنید.

۴- برای اندازه گیری دما در فواصل طولانی، سیم شیلد را به ترمینال زمین ولتمتر دیجیتالی متصل نمایید و از زوج سیم بهم تابیده جهت اتصال استفاده کنید.

۵- سعی کنید از سیم ترموکوپل در رنج مربوطه استفاده کنید.

۶- از مبدل A/D حفاظت شده داخلی (integrating) استفاده کنید.

۷- سیم معمولی ارتباطی را، فقط در محیط با دمای پایین استفاده کنید.
کاربرد ترموکوپل

این ابزار در کنترل دما و صنایعی که تابع دما هستند بسیار کاربردی است. از جمله کاربردهای آن می توان به اندازه گیری دما در کوره ها، دمای دودکش، قطع کن سیستم گاز شومینه و اجاق گازها، صنایع داروسازی و … اشاره کرد.

مزیت های ترموکوپل

سادگی
قیمت مناسب
استحکام و دوام زیاد در مصارف صنعتی
محدودۀ وسیع اندازه گیری آن ها که معمولاً از محدودۀ ۱۸۰- تا ۱۸۰+ را در بر می گیرند، می توان اشاره کرد.