اندازه گیری دما و روش های آن

اندازه گیری دما و روش های آن 

دما نشان دهنده میزان فعالیت ملکولی مواد است. گرم و سرد بودن، توصیف ذهنی از میزان فعالیت ملکولی است. سنسور دما برای بیان مقدار دما از مقیاس های استاندارد و جهانی استفاده می کند. از آنجا که این مقیاس ها بر پایه نقاط ثابت در طبیعت ( مانند نقطه انجماد آب) هستند، بنابراین سنسورها، توصیف دمایی را ارائه می دهند که هم کمی است و هم عینی.

مقیاس های اندازه گیری دما عبارت اند از:
• فارنهایت؛
• سلسیوس (سانتیگراد)؛
• مطلق (کلوین)؛

انواع سنسورهای دما

در کاربردهای صنعتی دو نوع سنسور دما وجود دارند:

• سنسور دما تماسی 
• سنسور دما غیرتماسی

سنسور های تماسی

نوع تماسی معمول ترین و بیشترین استفاده را در اندازه گیری دما دارد. سه روش اصلی اندازه گیری دما از نوع تماسی عبارت اند از:

• ترموکوپل
• حسگرهای مقاومتی دما (RTDs)
• ترمیستورها

مشخصه های ساختمانی مشترک در نوع تماسی به شرح زیر است:
• المان حسگر؛
• بدنه سنسور؛
• سیم های رابط؛
• آداپتور پیچی

سنسورهای غیرتماسی

اندازه گیری دما با ابزارهای غیرتماسی ، پیچیده تر است و با استفاده از تکنولوژی های زیر انجام پذیر خواهد بود:
• مادون قرمز؛
• صوتی.

ترموکوپل

ترموکوپل از دو فلز غیر هم جنس مانند آهن و کنستانتان تشکیل شده است که به صورت الکتریکی از یک طرف به هم وصل شده اند و در این نقطه اتصال گرم یا المان حسگر را به وجود آورده اند. اندازه گیری دما در نقطه اتصال گرم ترموکوپل صورت می گیرد که این نقطه در تماس با فرایند است. هرجند این نقطه اتصال گرم نامیده می شود ولی ممکن است ترموکوپل برای اندازه گیری دماهای زیرصفر هم استفاده شود و نقطه اتصال گرم در چنین دمایی قرار داده شود. اعمال حرارت به نقطه اتصال دو فلز در اتصال گرم، باعث ایجاد ولتاژ کوچکی بین دو فلز در طرف دیگر می شود. در این نقطه که به ترانسمیتر یا ولت متر متصل می شود اتصال مرجع یا سرد تشکیل می شود. میزان ولتاژ متناسب با میزان دما است.
رابطه بین ولتاژ حاصل و دما، خطی نیست. دمای فرایند با توجه به مقدار ولتاژ حاصل، با خواندن از روی یک منحنی و یا به وسیله جدول های ترموکوپل به دست می آید.
روش های مختلفی برای اتصال سیم های ترموکوپل در نقطه اتصال گرم وجود دارد این روش ها عبارت اند از: پیچیده شدن، چفت شدن، لحیم شدن و انواع مختلف جوش دادن مشابه.

مزایا:

• هزینه کم؛
• اندازه کوچک؛
• مقاوم؛
• محدوده کاری وسیع؛
• پایداری در حد قابل قبول؛
• دقیق برای تغییرات دمایی بالا؛
• پاسخ سریع.

معایب

• خروجی خیلی ضعیف در حد میلی ولت؛
• دقت محدود برای تغییرات دمایی کم؛
• حساس نسبت به نویز الکتریکی؛
• غیرخطی؛
• تبدیل پیچیده از emf به دما.

اتصال گرم ترموکوپل می تواند به بدنه سنسور متصل شود یا اینکه با آن، فاصله داشته باشد. با المان های ترموکوپل ذوب (دو ترموکوپل در یک بدنه)، می توان المان ها را به هم متصل کرده یا جدا از هم قرار داد. این اتصال ها به هر صورتی که قرار گیرند مزایا و محدودیت های مربوط به خود را دارند.
• زمین شده: اتصال المان حسگر به بدنه ترموکوپل باعث هدایت حرارتی بهتر و درنتیجه پاسخ زمانی سریع تر می شود. اما در این حالت، مدار ترموکوپل در معرض نویز الکتریکی قرار می گیرد که می تواند سیگنال ولتاژ ترموکوپل را تحت تاثیر قرار دهد.
• زمین نشده: اتصال های زمین نشده در معرض نویز الکتریکی نیستند ولی در مقایسه با اتصال های زمین شده، پاسخ زمانی آهسته تری دارند.
• متصل شده: در ترموکوپل هاب دوبل با اتصال های گرم به هم متصل، هر دو ترموکوپل در یک دما قرار دارند، ولی اگر مشکلی پیش بیاید معمولا هر دو ترموکوپل دچار اشکال می شوند.
• متصل نشده: در ترموکوپل های دوبل با اتصال های گرم جدا از هم، ممکن است دو ترموکوپل هم دما یا غیر هم دما باشند. در این نوع اتصال به علت مستقل بودن ترموکوپل ها، قابلیت اطمینان بیشتر است.

انواع ترموکوپل

براساس ترکیب های ممکن از فلزها، می توان تعداد بی شماری ترموکوپل ساخت، ولی در عمل تعداد ترموکوپل ها مشخص و حدود است. مشخصه های لازم برای به کارگیری فلز در ساخت ترموکوپل عبارت اند از:

• نقطه ذوب فلز؛
• واکنش نسبت به تغییر شرایط اتمسفر؛
• خروجی ترموالکتریکی در ترکیب با دیگر فلزات؛
• میزان هدایت الکتریکی فلز، در مقابل مقاومت الکتریکی آن؛
• پایداری؛
• تکرارپذیری؛
• هزینه؛
• ساخت و به کارگیری آسان.

ترموکوپل استاندارد عبارت اند از:

• نوع E: کرومل و کنستانتان؛
• نوع J: آهن و کنستانتان؛
• نوع T: مس و کنستانتان؛
• نوع K: کرومل و آومل؛
• نوعN: نیکروسیل و نیسیل؛
• نوع S،Rو B: پلاتین و رودیوم.

حسگرهای مقاومتی دما (Resistance Temperature Detector-RTDs)

RTD ها از فلزهایی با جنس های خاص (معمولا پلاتین) ساخته می شوند که مقاومت الکتریکی شان با تغییر دما تغییر می کند. مقاوم الکترکی عموما با افزایش دما، افزایش می یابد و در این حالت تجهیز اندازه گیری ضریب دمایی مثبت دارد. مقدار ضریب دمایی، حساسیت RTD را تعیین می کند.

جنس المان حسگر RTD

ویژگی های ترمومقاومتی المان حسگر RTD ، بسته به فلز یا آلیاژی که از آن ساخته شده، متفاوت می باشد. فلز یا آلیاژی که به عنوان المان حسگر RTD استفاده می شود باید دارای ویژگی های زیر باشد:

• یک ارتباط مشخص و قابل پیش بینی بین دما و مقاومت المان حسگر RTD وجود داشته باشد.
• مقاومت المان حسگر RTD باید نسبتا بالا باشد تا بتوان آن را به آسانی اندازه گیری کند.
• المان حسگر RTD باید دارای استحکام فیزیکی باشد.
• در محدوده دمای اندازه گیری، دارای پایداری(ذوب نشدن یا یخ نزدن) باشد.
• به ازای تغییر مشخص در دما، تغییر مقاومت المان حسگر باید به اندازه کافی بزرگ باشد تا به آسانی قابل اندازه گیری باشد.

 

سه نوع فلز مقاومتی که غالبا برای ساخت RTD استفاده می شوند عبارت اند از:

• پلاتین؛
• مس؛
• نیکل.

پلاتین

المان های RTD از جنس پلاتین مرسوم ترین نوع RTD هستند که در صنایع فرایندی استفاده می شوند. المان های پلاتینی، دقت، تکرارپذیری و تغییر مقاومت بالایی به ازای تغییر دما دارند. به علاوه المان های RTD پلاتینی در محدوده دمایی کاری بسیار خطی هستند.
دو نوع اصلی RTD از جنس پلاتین با عنوان PT1000،PT100 وجود دارند. عبارت PT بیان می کند که جنس فلز، پلاتین است و عبارت100، مقاومت فلز برحسب اهم در دمای صفر درجه سانتی گراد است.

مس

المان های RTD از جنس مس در محدوده دمایی شان بسیار خطی هستند، ولی دقت محدودی دارند و محدوده دمایی آن¬ها نسبت به المان های پلاتینی کوچک تر است.

نیکل

المان های RTD از جنس نیکل دارای ضریب دمایی بزرگ تری نسبت به المان های RTD پلاتینی و مسی هستند، ولی ویژگی خطی ضعیف، دقت محدود، تکرارپذیری کمتر و محدوده دمایی کاری نسبتا کوچکی دارند. المان های نیکل معمولا در کاربردهایی که دقت، موضوع خیلی مهمی نیست استفاده می شوند.

طراحی المان های حسگر RTD

المان های حسگر RTD در چندین طرح وجود دارند. دو نوع طراحی عبارت اند از:

• سیم پیچیده شده؛
• لایه نازک.

 

اندازه گیری مقاومت المان حسگر RTD

برای خواندن دقیق دما از یک RTD، مقاومت المان حسگر RTD باید اندازه گیری شود. هر سیم رابط مسی که به المان حسگر RTD وصل می شود خود دارای مقاومت است که این مقاومت به مقاومت المان حسگر RTD اضافه می شود. اگر مقاومت اضافه شده را نادیده بگیریم، یک خطا به وجود می آید و اندازه گیری دما دقیق نخواهد بود. خطای حاصل ، “تاثیر سیم رابط” خوانده می شود. هرچه طول سیم بیستر خطا بیشتر خواهد بود. برای جبران سازی تاثیر سیم رابط، RTDهای سه سیمه و چهارسیمه به جای دو سیمه استفاده می شوند. RTDهای سه سیمه با اتصال یک سیم مسی اضافه به یکی از سیم های اولیه ایجاد می شوند و RTDهای چهارسیمه با اتصال یک سیم مسی به اضافه به هریک از سیم های رابط موجود ایجاد می شوند.

تبدیل مقاومت به دما

پس از اینکه مقاومت RTD تعیین شد، باید به مقدار دمای متناظرش تبدیل شود. در ترانسمیترها یکی از دو روش زیر استفاده می شود:
• براساس استاندارد RTD (مثلا استاندارد IEC 751)؛
• معادله Callendar-Van Dusen.

مزایا

در مقایسه با ترموکوپل ها، RTDها دارای مزایای زیر هستند:
• دقت و تکرارپذیری بهتری دارند.
• سیگنال RTDها حساسیت کمتری به نویز دارد و نسبت سیگنال به نویز آن ها بیشتر است.
• در محدوده دمای کاری، خطی تر هستند.
• در RTDها می توان از معادله Callender-Van Dusen استفاده کرد تا از خطای قابلیت تعویض جلوگیری شود.
• انحراف RTD قابل پیش بینی است درحالی که در ترموکوپل قابل پیش بینی نیست. به علاوه امکان خطاهای دریفت ترموکوپل ها در اثر خوردگی و اکسید شدن المان حسگر در دماهای بالا وجود دارد.
• تغییراتی که در طول زمان به خاطر شوک های مکانیکی، خوردگی و سیکل های دمایی اتفاق می-افتند روی خروجی یک RTD یا ترموکوپل تاثیر می گذارند. این تغییرات با انجام برخی ملاحظات راجع به RTDها قابل حذف است. این ویژگی در مورد ترموکوپل در دسترس نیست.
• RTDها به سیم های الحاقی ویژه نیاز ندارند.

معایب

• شکننده و دارای ابعاد بزرگ هستند.
• به دلیل ابعاد بزرگ تر نسبت به ترموکوپل ها، پاسخ زمانی آهسته تری نسبت به تغییرات دما دارند.
• دارای مشکلات ناشی از گرم شدن هستند.
• در برابر نویز الکتریکی حساس هستند.
• هزینه تست و تشخیص عیب آن ها زیاد است.
• در مقایسه با ترموکوپل ها قیمت بالاتری دارند.

ترمیستورها

ترمیستورها یک تجهیز نیمه هادی است که از اکسیدهای فلزی ساخته شده است. اساس اندازه گیری دما به وسیله یک ترمیستور این است که مقاومت الکتریکی آن با دما تغییر می کند. اغلب ترمیستورها دارای ضریب مقاومتی منفی هستند و از اینرو با مقاومت های معمولی تفاوت دارند. ضریب مقاومتی منفی به این معنی است که با افزایش دما مقاومت کاهش می یابد. هرچند ترمیستورهای با ضریب دمایی مثبت (PTC) نیز وجود دارند اما ترمیستورهای با ضریب دمایی منفی(NTC) رایج تر هستند. ترمیستورها در شکل های مختلفی ساخته می شود. رایج ترین آن ها، دیسکی، مهره ای و میله ای است. طیف وسیعی از ترمیستورها ( هم از نظر مقاومت و هم از نظر دما) وجود دارد که با تغییر در میزان ناخالصی مواد نیمه هادی ساخته می¬شوند.
ترمیستورها ضریب دمایی خیلی بالاتری نسبت به RTDها دارند، به همین دلیل تغییرات کوچک دما راحت تر قابل تشخیص است. ترمیستورها دقت RTDها را ندارند و احتمالا به همین دلیل کاربرد آنها به عنوان ابزار دقیق محدود است.ترمیستورها دما را از 73- تا 316+ سانتیگراد اندازه گیری می کند.
باتوجه به هزینه کم و حساسیت بالای ترمیستورها، اغلب برای تشخیص وضعیتهای آلارم فرایند از ترمیستورها استفاده می شود.

مزایا

• اندازه کوچک؛
• پاسخ سریع؛
• حساسیت خیلی بالا( در محدوده انتخاب شده)؛
• نیاز نداشتن به جبران سازی اتصال سرد (به این خاطر که مقاومتشان تابعی از دمای مطلق است)؛
• ارزان؛
• غیرحساس به پلاریته؛
• تنوع سنسورها؛
• مناسب برای اندازه گیری از راه دور برخلاف ترموکوپل ها و RTD ها.

معایب

• ناپایداری با توجه به انحراف (DRIFT) و کالیبره نمودن به خصوص در دماهای بالا)
• نداشتن قابلیت تعویض آسان؛
• غیرخطی؛
• محدوده کاری؛
• شکننده؛
• مقاومت بالا و مشکلات ناشی از نویز.

محدودیت های محدوده

محدوده کاری ترمیستور وابسته به ماده مورد استفاه در ساخت و محافظت سنسور است. چهار محدودیت اصلی که بر محدوده کاری موثر، تاثیر گذارند عبارت اند از:
1. ذوب شدن یا زوال نیمه هادی؛
2. خراب شدن مواد پوششی؛
3. عدم حساسیت در دماهای بالا؛
4. مشکل در اندازه گیری دماهای پایین.

ترمومتر ساقه شیشه ای

ترمومتر ساقه شیشه ای یکی از قدیمی ترین ابزارها برای اندازه گیری دما است. در این روش از جیوه یا الکل در لوله شیشه ای استفاده می شود که با افزایش دما، انبساط کرده و درون لوله حرکت می کنند. البته هوای درون لوله تخلیه شده است. در برخی از کاربردها، لوله شیشه ای با نیتروژن پر می شود تا محدوده دمای کاری افزایش یابد.

مزایا

• هزینه کم؛
• سادگی؛
• نیاز داشتن به کالیبراسیون مجدد.

معایب

• اندازه گیری تنها به صورت محلی؛
• جدا از بقیه تجهیزات کنترلی ثبتی؛
• شکننده.

ابزارهای پرشده

سیستم دمایی پرشده به گونه ای طراحی می شود که نمایش یا ثبت دما با یک فاصله از نقطه اندازه گیری انجام می شود. سیستم دمایی پرشده اساسا گیج فشاری است که توسط یک لوله با سطح مقطع کوچک به حبابی که به عنوان سنسور دما عمل می کند متصل می شود. کل سیستم از نظر درز گاز، محک شده و توسط یک گاز یا مایع محبوس شده تحت فشار و مناسب پر می شود. با تغییر دما، فشار ناشی از سیال محبوس نیز تغییر می کند و توسط لوله بردون نمایش داده می¬شود.
ترمومترهای پرشده را براساس مواد پرکننده به چهار کلاس اصلی تقسیم کرده است.

• کلاسI: سیستم پر شده با مایع؛
• کلاسII: سیستم پرشده با بخار؛
• کلاسIII: سیستم پر شده با گاز؛
• کلاسV: سیستم پر شده با جیوه.

در اغلب کاربردهای صنعتی استفاده از سیستم های پرشده با جیوه، به دلیل خطرات مربوط به سلامتی، منسوخ شده است. علاوه بر این استفاده از سیستم های پرشده با جیوه و مایع به دو دلیل زیر موقعیت خود را از دست داده اند.
1. هزینه لازم برای جبرانسازی تاثیرات محیط بر کاپیلاری؛
2. وجود خطا به دلیل اختلاف ارتفاع بین حباب و بخش خواندن.
در حال حاضر اغلب سیستم های دمایی پرشده مورداستفاده، از نوع گاز و بخار هستند ولی این دو نوع نیز دارای محدودیت¬هایی هستند. نوع پرشده با گاز برای عملکرد در محدوده دمایی مدنظر، ابعاد بزرگی دارد و سیستم پر شده با بخار نیز به¬دلیل غیرخطی بودن و وجود خطای ناشی از احتلاف ارتفاع دارای محدودیت است. در حالت کلی سیستم های پرشده در مقایسه با المان های بی متال بهتر و در مقایسه با ترمومترهای الکترنیکی ضعیف تر هستند.

مزایا

• عملکرد ساده؛
• سخت و مقاوم؛
• ارزان؛
• نیاز نداشتن به تغذیه؛
• نگه داری آسان؛
• حساسیت و دقت خوب؛
• به طور ذاتی، ایمن در برابر انفجار.

معایب

• حباب حجیم؛
• سرعت پاسخ کم؛
• فقط برای محدوده های بزرگ( با بزرگ شدن محدوده، رزولوشن کوچک می¬شود)؛
• غیرخطی؛

ترمومتر بی متال

اگر دو فلز مستقیم و متفاوت به یکدیگر چسبانده شده و حرارت داده شوند، نوار حاصل از دو طرف که دارای ضریب انبساط پایین تری است خمیده می¬شود. میزان این تغییر شکل، متناسب با مجذور طول نوار و تغییرات دمایی و به طور معکوس متناسب با ضخامت فلزها است. یک نوار دو فلزی(بی متال) را می توان برای ایجاد یک تغییر شکل از پیش تعیین شده، در دمای مشخص کالیبره کرد. از آنجا که میزان جابه جایی به وجود آمده توسط نوار بی متال، کوچک است، برای تقویت آن، نوار بی¬متال به شکل فنری یا حلزونی ساخته می شود.
محدوده عملکرد، برای کاربردهای متفاوت متغیر است. محدوده پایین از 70- تا 50+ درجه سانتیگراد و محدوده بالا از 100 تا 550 وجود دارد. جنس ترمومتر از فولاد کربن، فولاد ضد زنگ یا مواد مناسب برای خروج آسان یا مقاوم در برابر محیط های خورنده است.

مزایا

• ارزان؛
• ساخت ساده؛
• احتمال شکستن کمتر در مقایسه با ترمومترهای ساقه شیشه ای.

معایب

• دقت محدود؛
• فقط قابل استفاده برای نمایش یا سوییچینگ ساده؛
• فقط اندازه گیری محلی؛
• خارج شدن از وضعیت کالیبره در اثر شوک؛
• هیسترزیس.

پیرومترهای غیرتماسی

دو روش غیرتماسی اصلی در اندازه¬گیری دما عبارت اند از :

• پیرومتر تابشی
• پیرومترهای صوتی

پیرومترهای تابشی

ترمومتر تابشی، یک آشکارساز غیرتماسی انرژی تابشی است. هر شی در دنیا با هر دمایی حتی نزدیک صفر مطلق، انرژی تابشی از خود منتشر می کند. مقدار انرژی را اندازه گیری کرده و سیگنالی متناسب با دمای آن شی تولید می کنند.
یک ترمومتر تابشی در ساده ترین حالت شامل یک سیستم و آشکارساز نوری است. سیستم نوری، انرژی منتشر شده توسط شی را روی یک آشکارساز به تابش است متمرکز می کند. خروجی آشکارساز متناسب با مقدار انرژی تابش یافته توسط شی و با توجه به طول موج های تابشی است. از این خروجی می توان برای تعیین دمای شی استفاده کرد. قابلیت انتشار با شدت انتشار یک شی، متغیری مهم برای تبدیل خروجی به سیگنال دما است.

پیرومتر صوتی

سرعت صوت در یک گاز متناسب با دمای آن است. در یکی از روش های اندازه گیری دما، از دو پروب کوارتز که در فاصله ای مشخص از هم قرار دارند- استفاده می¬شود. سرعت صوت با اندازه گیری پیوسته زمان گذر موج صوتی تعیین می شود. اندازه گیری دما به این روش نه تنها برای گازها میسر است بلکه برای مایعات و جامدات نیز قابل استفاده است.

ترموول

ترموول یک لوله فلزی ته بسته و هادی حرارت است که سنسور را پوشش داده و آن را از جریان، فشار، ارتعاش و خوردگی های ناشی از سیال فرایند محافظت می کند. با استفاده از ترموول می توان سنسور را بدون توقف فرایند برای کالیبراسیون، تعویض یا تعمیر، خارج کرد. در ترمومترهای تابشی از ترموول به عنوان لوله تابش نیز استفاده می شود. ترموول به روش های مختلف پیچی، جوشی، فلنجی نصب می شود.