• تلفن : 02122903390
  • ایمیل: contact@email.com

دماسنج

دماسنج، ترمو سوئیچ و ترانسمیتر دما

دماسنج چیست ؟

دماسنج، وسیله‌ای است که بر مبنای واحدهای مختلف دما را اندازه می‌گیرد. با استفاده از دماسنج‌ها می‌توان دما را اندازه گرفت. برای مثال می‌توان دمای بدن خود را اندازه بگیریم. دماسنج‌های الکلی و جیوه‌ای رایج‌ترین دماسنج‌ها هستند که با منبسط شدن جیوه یا الکل درون مخزنشان کار می‌کنند.

اندازه‌گیری دما توسط دماسنج‌های جیوه‌ای و الکلی برای دماهایی امکان‌پذیر است که بالاتر از نقطه انجماد و پایین‌تر از نقطه جوش مایع درون دماسنج باشد که معمولاً دماسنج‌های الکلی دماهای 165- الی 78+  را می‌توانند نشان دهند و برای اندازه‌گیری دماهای بالاتر باید از دماسنج‌های ترموکوپلی و آذرسنج‌ها استفاده نمود.

دماسنجی دقیق تر است که

  • مخزن آن بزرگ تر باشد.
  • لوله آن بلندتر و باریک تر باشد. (تا هر تغییر کوچک در حجم مایع را نشان دهد )
  • دیواره مخزن آن نازک تر باشد. (تا هر تغییر دمای کمی را از محیط به مایع انتقال دهد )
  • مخزن و لوله آن، کمترین تغییر حجم را بر اثر تغییر دما داشته باشد.

دلیل استفاده جیوه

  • آب بیرنگ است درنتیجه نمی‌تواند دما را به خوبی نشان دهد.
  • آب به دلیل داشتن ظرفیت گرمایی بالا، نسبت به تغییرات درجه حرارت و دما حساس نیست.
  • آب زیر صفر درجه یخ می‌زند و بالای ۱۰۰ درجه به جوش می‌آید و تبخیر می‌شود بنابراین در محدوده کمی از دما به صورت مایع است.
  • کشش سطحی آب زیاد است و به مقدار زیادی به دیواره می‌چسبد.
  • چگالی یا دانسیته کمی درمقایسه با جیوه دارد.

محدوده کاری دما سنج

 باید توجه داشت که با ترمومترهای جیوه ای نمی توان سرماهای کمتر از 35 درجه زیر صفر را اندازه گیری کرد. زیرا جیوه در 39 - درجه سانتی گراد منجمد می شود. از این رو برای اندازه گیری سرماهای شدید از ترمومترهای الکلی استفاده می کنند زیرا الکل در 120- درجه سانتی گراد مایع است و بالعکس در 78 درجه سانتی گراد به جوش می آید. از این رو ترمومتر ماگزیما و مینیما را به طور مرکب به کار می برند که از الکل و جیوه تشکیل می یابد این نوع میزان الحراره می تواند حداکثر درجه حرارت و حداقل آنرا در مدت معینی مثلا یک شبانه روز تعیین کند و از یک میزان الحراره الکلی دراز تشکیل شده است و برای اینکه جای زیاد نگیرد ساقه آن را دو مرتبه خم کرده اند و در قسمت خمیده آن که به شکل «ایو»ی فرانسه می باشد 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 هوا است. کمی 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.

حساس‌ترین دماسنج جهان

در ژوئن ۲۰۱۴ (خرداد ۱۳۹۳) دماسنج نوری ساخته شد که می‌تواند ۳۰ میلیاردیوم درجه را اندازه بگیرد. این دماسنج که «نانو-کلوین» (Nano-Kelvin) نام دارد آنقدر دقیق است که می‌تواند تغییرات درجه حرارت اشیاء را در حین حرکت اتم‌هایشان اندازه بگیرد. این دماسنج بر اساس فناوری نوری کار می‌کند به این صورت که نورهای سرخ و سبز را هزاران بار اطراف یک کریستال صفحه‌ای شکل می‌گرداند. نانو-کلوین سه برابر دقیق‌تر از بهترین دماسنج‌هایی است که تاکنون وجود داشته‌است.

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. سنسورهای دما برای بیان مقدار دما از مقیاس های استاندارد و جهانی استفاده می کنند. 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:

  • تماسی
    • غیرتماسی
    سنسورهای 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

انواع دما سنج

1 - 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 اساساً 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 شده اند:

  • 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 جبران سازی تاثیرات محیط بر کاپیلاری.
  2. وجود خطا به دلیل اختلاف ارتفاع بین حباب و بخش خواندن.

در حال حاضر اغلب سیستم های دمایی پرشده مورد استفاده، 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 اختلاف ارتفاع دارای محدودیت است. در حالت کلی سیستم های پرشده در مقایسه با المان های بی متال بهتر و در مقایسه با ترمومترهای الکترونیکی 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

2 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

3 دماسنج گازی

جنس، ساختمان، و ابعاد دماسنج در ادارات و موسسات مختلف سراسر دنيا که اين دستگاه را به کار مي‌برند تفاوت دارد و به طبيعت گاز و گستره دمايي که دماسنج براي آن در نظر گرفته شده است، بستگي دارد. اين دماسنج شامل حبابي از جنس شيشه، چيني، کوارتز، پلاتين يا پلاتين ـ ايريديم ( بسته به گستره دمايي که دماسنج در آن به کار مي‌رود )، که به وسيله يک لوله موئين به فشارسنج جيوه‌اي متصل است، مي باشد. اين دماسنج بر اساس دو قانون ذکر شده در مورد گاز کامل کار مي‌کند :

الف- قانون بويل ماريوت: بيان مي‌کند که حجم مقدار معيني از هر گاز در دماي معين با فشاري که بر آن گاز وارد مي‌شود، به طور معکوس، متناسب است با فشاري که بر آن گاز وارد مي‌شود.

ب- قانون شارل گيلو ساك: بيان مي كند كه فشار هر گاز محتوي در حجم معين به ازاي هر يک درجه سانتيگراد افزايش دما ، به اندازه 273/1 حجم اوليه‌اش افزايش مي‌يابد. 

4 دماسنج مایعی

اين نوع دماسنج يکي از رايج ترين انواع دماسنج هاي مورد استفاده در صنعت و غيره مي باشد. عمدتاً اين نوع دماسنج را به عنوان دماسنج هاي جيوه اي يا الکلي مي شناسيم. ساختمان اين نوع دماسنج ها از يک مخزن مايع و يک لوله مويين تشکيل شده که مايع درون مخزن در اثر انبساط از لوله مويين بالا رفته و دماي متناسب را نشان مي دهد. دماسنج جيوه اي را مي توان براي اندازگيري دما از 37.8- تا 315 سانتي گراد استفاده نمود اما اگرفضاي بالاي سطح جيوه را از گاز ازت پر نمايند، مي توان تا دماي 538 درجه از آن استفاده نمود.

5 دماسنج انبساط سیال 

اين نوع دماسنج يکي از باصرفه ترين ، رايج ترين و تطبيق پذيرترين وسايل اندازگيري دما در صنعت مي باشد. اساس کار اين دماسنج: با افزايش دما فشار درون حباب که مي تواند محتوي مايع ، گاز يا بخار باشد، بالا رفته و توسط فشار سنج اندازه گيري مي شود. طول لوله مويين مي تواند تا 60 متر باشد؛ اما اين مقدار بر دقت اندازه گيري دما تاثير گذار خواهد بود. بهترين حالت زماني است که از لوله مويين کوتاه که به يک ترانسديوسر فشار الکتريکي متصل شده است، استفاده گردد .

6 دماسنج با مقاومت الکتریکی

دماسنج مقاومتي به صورت يک سيم بلند و ظريف است، معمولاً آن را به دور يک قاب نازک مي‌پيچند تا از فشار ناشي از تغيير طول سيم که در اثر انقباض آن در موقع سرد شدن پيش مي‌آيد، جلوگيري کند. در شرايط ويژه مي‌توان سيم را به دور جسمي که منظور اندازه گيري دماي آن است پيچيد يا در داخل آن قرار داد. در گستره دماي خيلي پايين،  دماسنج هاي مقاومتي معمولاً از مقاومت هاي کوچک راديويي باترکيب کربن يا بلور ژرمانيوم که ناخالصي آن آرسنيک است و جسم حاصل در درون يک کپسول مسدود شده پر از هليوم قرار دارد، تشکيل مي‌شوند. اين دماسنج را مي‌توان بر روي سطح جسمي که منظور اندازه گيري دماي آن است سوار کرد يا در حفرهایي که براي اين منظور ايجاد شده است، قرار داد. دماسنج مقاومتي پلاتين را مي‌توان براي کارهاي خيلي دقيق در گستره 253- تا 1200 درجه سانتيگراد به کار برد.

7 دماسنج کریستال کوارتز

يک روش جديد و بسيار دقيق اندازه گيري دما بر مبناي حساسيت فرکانس تشديد کريستال کوارتز به تغيير دما استوار است. وقتي از زاويه برش مناسب براي کريستال استفاد شود، يک تطابق کاملاً خطي ميان فرکانس و دما برقرار مي گردد. مدلهاي تجاري اين وسيله از شمارنده هاي الکترونيکي و دستگاه قرائت رقم نما براي اندازه گيري فرکانس استفاده مي کنند. با اين وسيله تا حساسيت 001/0 درجه سانتیگراد ادعا شده است. گستره دمايي کارکرد اين دستگاه از منفي 40- درجه تا 230+ درجه سانتي گراد ادعا شده است.

8 دمانگاری کریستال مایع

کريستال هاي مايع خميري، که از استرهاي کلسترول ساخته شده اند پاسخ جالبي به دما از خود نشان مي دهند. دريک گستره تکرار پذير دما، کريستال مايع همه رنگ هاي طيف رنگي را از خود آشکار مي سازد. اين پديده بازگشت پذير و تکرار پذير است. با تغيير دادن فرمول مورد نظر مي توان از کريستال هاي مايع از کمتر از صفر درجه تا چند صد درجه سانتي گراد استفاده نمود.

9 ترموکوپل

ترموکوپل وسيله ديگري است که براي اندازه‌ گيري دما مورد استفاده قرار مي‌گيرد. در اين نوع دماسنج از خاصيت انبساط و انقباض اجسام جامد استفاده مي‌گردد. گستره يک ترموکوپل بستگي به موادي دارد که ترموکوپل از آن ساخته شده است. گستره يک ترموکوپل پلاتینيوم ـ ايریديوم که 10 درصد پلاتينيوم دارد از صفر تا 1600 درجه سانتیگراد است. مزيت ترموکوپل در اين است که بخاطر جرم کوچک، خيلي سريع با سيستمي که اندازه‌ گيري دماي آن مورد نظر است، به حال تعادل گرمايي در مي‌آيد. لذا تغييرات دما به آساني بر آن اثر مي‌کند، ولي دقت دماسنج مقاومتي پلاتين را ندارد.

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 فرآیند 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 محدود 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

 

10- حسگرهای مقاومتی دما (Resistance Temperature Detector-RTDs)


RTD ها از فلزهایی با جنس های خاص (معمولاً پلاتین) ساخته می شوند که مقاومت الکتریکی شان با تغییر دما تغییر می کند. مقاوم الکتریکی عموماً 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 ترمو مقاومتی 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 نسبتاً 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 عبارتند 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 نسبتاً کوچکی دارند. المان های نیکل معمولاً 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 عبارتند 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 باشد 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 RTD ها قابل حذف است. این ویژگی در مورد ترموکوپل در دسترس نیست.
  • RTD ها 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.

11 ترمیستور

ترمیستور 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 احتمالاً به همین دلیل کاربرد آنها به عنوان ابزار دقیق محدود است. ترمیستورها دما را از 73- تا 316+ سانتیگراد اندازه گیری می کنند. باتوجه به هزینه کم و حساسیت بالای ترمیستورها، اغلب برای تشخیص وضعیت های 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

12 ترمومتر لیزری (Optical Pyrometer )

اين نوع دماسنج که به آن دماسنج غير تماسي  و آذر سنج هم گفته مي شود، بر پايه رنگ نور انتشار يافته از جسم بوده که در نهايت دماي جسم مورد نظر را اندازه گيري مي کند. براساس اين حقيقت که تمامي اجسام سياه يک اندازه دمايي را نشان خواهند داد، نتيجه مي گيريم که دامنه کاربردي اين نوع دماسنج در دماهاي بالاي سرخ بوده و براي آهن تقريبا بالاي 500 درجه سانتي گراد مي باشد.

طرز کار:

نور ايجاد شده توسط جسم از درون يک سيستم اپتيکال (با بزرگ نمايي معين) که در درون آن يک لامپ گداخته کوچک قرار داده شده، گذرانده مي شود. (بدين ترتيب اگر کسي از درون چشمي بدرون اين سيستم نگاه مي کند ، نوري بسيار باريکي را ملاحظه خواهد کرد.) در برخورد اين نور با فيلامان لامپ، جرياني را از فيلامان عبور خواهد داد که تعيين کننده ميزان دماي جسم است. اين جريان توسط پتانسيومتري که بين منبع تغذيه (يک باطري) و لامپ قرار داده شده کنترل مي گردد. براي نمايش دما از يک آم متر (ammeter ) استفاده مي گردد. دامنه آم متر از 900F  براي دماي 500 درجه سانتي گراد تا 3000F  براي دماي 1600 درجه سانتي گراد متغير است.

-آذرسنج ثبت گر و کنترل گر

در اغلب تأسیسات صنعتی، تنها نشان دادن دما توسط دستگاه کافی نیست و باید با قراردادن یک قلم متحرک به جای عقربه پتانسیل سنج دما را ثبت کرد. این دستگاه آذرسنج ثبت گر نام دارد. همچنین با استفاده از مدارهای الکتریکی در دستگاه می توان جریان گاز به مشعل ها یا جریان برق به عنصرهای گرمایی را کنترل و دمای کوره را در مقدار مورد نظر ثبت کرد. این دستگاه آذرسنج کنترل گر نام دارد. امکان طراحی وسیله ای برای ثبت و کنترل دما متشکل از یک یا چند ترموکوپل نیز هست.

 

-آذرسنج تابشی

اصول کارکرد آذرسنج تابشی بر پایه یک منبع تابشی استاندارد به نام جسم سیاه یا تابشگر کامل قرار دارد. تابشگر کامل، جسمی فرضی است که کلیه پرتوهای تابیده به خود را جذب می کند. در دمایی یکسان، چنین جسمی سریع تر از هر جسم دیگر از خود انرژی می تابد. آذرسنج های تابشی، عموماً برای نشان دادن دمای تابشگر کامل یا دمای حقیقی درجه بندی می شوند. قانون استفان- بولتزمن که مبنای مقیاس دمای آذرسنج های تابشی است، نشان می دهد که آهنگ تابش انرژی از یک تابشگر کامل متناسب با توان چهارم دمای مطلق آن است:

-آذر سنج نوری

ابزار تشریح شده در قسمت قبل که به تمام طول موج های تابش پاسخ می دهد آذر سنج تابشی نام دارد. با اینکه اصول کارکرد آذر سنج نوری با آذر سنج تابشی یکسان است اما آذر سنج نوری با طول موج منفرد یا نوار باریکی از طول موج طیف مرئی کار می کند. آذر سنج نوری، دما را از طریق مقایسه درخشندگی نور گسیل شده توسط منبع، با نور گسیل شده از یک منبع استاندارد، اندازه می گیرد. برای سهولت مقایسه رنگ ها، یک فیلتر قرمز که تنها طول موج پرتو قرمز را عبور می دهد به کار می رود.

متداول ترین نوع آذرسنج نوری که در صنعت به کار می رود، نوع رشته پنهان شونده است. این آذرسنج شامل دو قسمت، یک تلسکوپ و یک جعبه کنترل است. تلسکوپ شامل یک فیلتر شیشه ای قرمز که جلوی چشمی نصب شده و یک لامپ با رشته درجه بندی شده است که عدسی های شیء تصویر از جسم مورد آزمایش را بر آن متمرکز می کند. این دستگاه دارای یک کلید برای بستن مدار الکتریکی لامپ و یک پرده جاذب برای تغییر گستره اندازه گیری دما توسط آذرسنج است.

گستره کاری آذرسنج نوری مورد بحث، از˚760 تا 1315 درجه سانتیگراد است. حد بالایی دما تا اندازه ای بستگی به خطر خراب شدن رشته و میزان خیره کنندگی ناشی از درخشش در دماهای بالاتر دارد. گستره دما ممکن است با به کارگیری پرده جاذب بین عدسی شیء و شبکه رشته به حد بالاتری افزایش یابد و به این وسیله سازگاری درخشش در دماهای پایین تر رشته ممکن می شود. بدین ترتیب با استفاده از دماهای پایین تر رشته، می توان آذرسنج را برای دماهای بالاتر درجه بندی کرد. با به کارگیری پرده های جاذب مختلف، حد بالایی آذرسنج نوری را می توان تا 5500 درجه سانتیگراد یا بیشتر افزایش داد.

برخی مزایای آذرسنجهای نوری و تابشی عبارتند از:

  1. اندازه گیری دماهای بالا؛
  2. اندازه گیری دمای اجسام دور از دسترس؛
  3. اندازه گیری دمای اجسام کوچک یا متحرک؛
  4. هیچ یک از قسمتهای دستگاه در معرض آثار مخرب گرما نیست.

 محدودیتهای آنها عبارتند از:

چون سازگاری نورسنجی بستگی به قضاوت فردی دارد، خطاهایی روی می دهد

به خاطر وجود دود یا گاز بین ناظر و منبع اشتباهاتی پدید می آید

بسته به میزان انحراف از شرایط تابشگر کامل خطا ایجاد می شود

13 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.

14 - انواع دماسنج های مورد استفاده در هواشناسی

-دماسنج معمولی استاندارد(Thermometer)

این دماسنج یك لوله بسیار باریك شیشه ای مسدود است كه در انتهای آن محفظه ای تعبیه و از جیوه یا الكل پر شده است. در داخل لوله دماسنج خلاء كامل وجود دارد. گرم و سرد شدن مخزن باعث گرم و سردشدن مایع درون مخزن شده و متعاقب آن باعث بالا و پایین رفتن مایع در داخل مخزن شیشه ای می شود، با مشاهده سطح مایع در داخل لوله دماسنج و قرائت عددی كه روی بدنه شیشه نوشته شده است دمای هوا در آن لحظه مشخص می شود.

-دماسنج حداكثر (Maximum Thermometer)

اغلب نیاز است علاوه بر دمای معمولی هوا حداكثر دمایی كه در طول یك دوره معین مثلاً یك شبانه روز اتفاق افتاده است نیز اندازه گیری و تثبیت شود به این منظور از دماسنج حداكثر استفاده می كنند. این نوع دماسنج با یك تفاوت جزیی تقریبا مشابه دماسنج های معمولی است به این صورت كه لوله مویین آن در محلی كه به مخزن منتهی می شود بسیار باریك شده است. هنگامی كه دما زیاد می شود جیوه داخل مخزن منبسط شده و نیروی حاصل می تواند باعث راندن جیوه از داخل مجرای باریك بالای مخزن به قسمت بالای لوله گردد به این ترتیب ارتفاع جیوه در داخل مخزن بالا می رود و با كاهش دما مایع داخل مخزن منقبض می شود ولی باریك بودن لوله از برگشت مایع به داخل مخزن جلوگیری می كند و سطح مایع در داخل لوله در محلی كه بالاترین دمای قبلی اتفاق افتاده است باقی می ماند. بنابراین سطح فوقانی جیوه نشان دهنده حداكثر دمای اتفاق افتاده است.

-دماسنج حداقل (Minimum Thermometer)

دماسنج های حداقل برای تثبیت پایین ترین دمای اتفاق افتاده در یك دوره معین به كار می رود دماسنج های حداقل مشابه دماسنج های معمولی است با این تفاوت كه مایع داخل مخزن این نوع دماسنج به جای جیوه از مایعات رقیق تر مانند الكل استفاده می شود. به علاوه در داخل لوله مویین یك سوزن شیشه ای كه دو سر آن گرد می باشد رها گردیده كه به عنوان شاخص از آن استفاده می شود، وقتی دمای هوا كاهش می یابد با انقباض مایع سطح بالای الكل در داخل لوله مویین با اعمال نیروی كشش سطحی شاخص سوزنی را نیز به طرف پایین مخزن حركت می دهد. با افزایش دما مجدداً الكل در داخل لوله مویین از اطراف سوزن عبور كرده و به طرف بالا صعود می كند اما سوزن در پایین ترین محلی كه قبلا در اثر كشش سطحی پایین آمده بود باقی می ماند. بنابراین قسمت بالایی شاخص شیشه ای پایین ترین دمایی را كه اتفاق افتاده است نشان می دهد در حالی كه انتهای سطح الكل در بالای لوله دمای لحظه ای هوا را نشان میدهد.

-دماسنج حداقل حداكثر(Min – Max  Thermometer )

این دماسنج تركیبی از دو دماسنج حداقل و حداكثر می باشد، این دماسنج از یك لوله شیشه ای U شكل ساخته شده است كه دو انتهای آن مسدود می باشد. قسمت پایینی لوله U شكل با جیوه پر شده است. علاوه بر جیوه قسمت بالایی لوله قسمت چپ به طور كامل از الكل پر شده است اما نصف حجم لوله سمت راست كه انتهای آن به صورت یك مخزن گشاد شده می باشد از الكل پر شده است و نصف دیگر آن از یك نوع گاز پر شده است. در بالاترین سطح جیوه و در داخل الكل در هر دو ستون شاخص های شیشه ای رنگی كه یك سوزن در وسط آن تعبیه شده است وجود دارد در اثر گرم و سرد شدن و متعاقب آن انبساط و انقباض سطح جیوه بالا و پایین می رود. بالاترین حدی كه جیوه در شاخه سمت چپ بالا رفته است دمای حداقل و بالاترین حدی كه جیوه در شاخه سمت راست بالا رفته دمای حداكثر را نشان می دهد.

15 دما نگار (Thermograph)

دمانگار یك وسیله كاملاً مكانیكی است و با استفاده از یك عنصر فلزی كه انحنای آن با دما تغییر می كند ساخته شده است. یك طرف عنصر فلزی حساس به تغییرات دما كه دارای انحنا می باشد به بازوی اهرم طویل و متحركی بسته شده است كه این بازو ممكن است مستقیماً دما را از روی یك مقیاس ساده درجه بندی شده نشان دهد و یا اینكه انتهای بازو به یك قلم ثبات متصل گردد. با تغییر دمای هوا انحنای فلز تغییر می كند و این امر با توجه به نحوه تغییرات دما باعث انحراف قلم در انتهای بازوی مكانیكی به طرف بالا و پایین در روی كاغذ گراف می گردد و دماها ثبت می شوند .

16 - دماسنج نواری

رنگ برخی از اجسام ،با تغییر دما عوض می شود بنابراین، در دماسنج نواری، هر رنگ معرف یک دمای معین است. تغییر رنگ کریستال های مایع در دماسنج های نواری، سبب اندازه گیری دمای بدن یک بیمار یا آکواریوم می شود.

17 - دماسنج دیجیتالی

خواص الکتریکی برخی از اجسام، با تغییر دما تغییر می کند. این تغییرات، مبنایی برای اندازه گیری دما هستند. در دماسنج های الکترونیکی تغییر مقاومت الکتریکی دماسنج، سبب اندازه گیری دما می شود. 

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.

سوئیچ دما (Thermo switch)

از جمله کمیت های مهمی که در واحد های صنعتی از اهمیت ویژه ای برخوردار است، دمای سیستم می باشد. برای این منظور از ادوات مختلفی استفاده می شود که با توجه به نیاز، علاوه بر سنجش میزان درجه حرارت، اغلب توانایی تولید سیگنال کنترلی و همینطور سوئیچ را نیز دارا می باشند.

سوئیچ های دمایی وسایلی هستند که می توانند در دماهای خاصی عمل قطع و وصل یک کنتاکت را انجام بدهند، در حالت کلی در صنعت سوئیچ ها وسایلی هستند که به صورت دیجیتال عمل کرده و عمل قطع و وصل  را انجام می دهند، اما سنسورها می توانند یک کمیت را کاملاً اندازه گیری نموده و خروجی آنالوگ داشته یاشند.

سنسور مورد استفاده در این سوئیچ ممکن است حساس به نور و یا حساس به فلز باشد. زمانی که عقربه به سنسور نزدیک می شود سنسور آن را حس کرده و به اتاق کنترل اعلام می کند.

 

روش های اندازه گیری دما را میتوان به صورت تماسی و غیر تماسی دسته بندی کرد. روش تماسی در حقیقت از تماس یک سنسور که می تواند ترموکوپل یا ترمورزیستنس (PT100) باشد استفاده کرد. این روش اندازه گیری در مدل های آنالوگ بیشتر به روش بی متال یا GAS-FILLED که از یک حباب و لوله موئین درست شده است انجام می شود که به ترمومتر یا دماسنج گازی مشهور است. روش اندازه گیری غیر تماسی بیشتر بر اساس مقدار تابش فروسرخ که جسم هدف از خود به محیط ساطع می کند استفاده می شود. این دماسنج ها به پیزو متر یا ترمومتر تفنگی یا لیزری مشهور هستند. دلیل استفاده از واژه لیزری استفاده از باریکه نور لیزر برای مشخص شدن هدف می باشد. دما با مقیاس درجه سانتیگراد اندازه گیری می گردد و در برخی کشورها که مقیاس دیگر نظیر فارنهایت نیز بسیار معمول می باشد و همچنین در معادلات فیزیکی معمولاً از مقیاس کلوین استفاده می گردد.

ترانسمیتر چیست؟

ترانسمیتر صنعتی ابزاری است که برای اندازه گیری کمیت ها و پارامترهای مختلف نظیر دما، فشار، رطوبت، سطح مایعات، فلو، گازهای های محیطی و مواردی از این دست استفاده می گردند و مقادیر اندازه گیری شده را به صورت جریان الکتریکی استاندارد در بازه ۴ تا ۲۰ میلی آمپر روی یک زوج سیم ارسال می نمایند.

در لغت ترانسمیتر از ترکیب دو واژه TRANSFER+METER  گرفته شده است. یعنی تجهیزی که بتواند یک کمیت فیزیکی را اندازه گیری کرده(METERING)   و آن را به مکانی دورتر مثل اتاق کنترل انتقال(TRANSFER)  دهد. از آنجا که نویزهای محیطی غالباً به صورت ولتاژ القایی بر روی سیم ها و کابل های انتقال داده ظاهر می شوند، لذا استفاده از ترانسمیتر به جای سنسور، در صنعت بسیار رایج بوده و باعث جلوگیری از بروز نویز بر روی سیگنال الکتریکی می گردد. ترانسمیترها در دو نوع پسیو و اکتیو موجود می باشند که نوع اکتیو آنها، برای کارکرد نیاز به تغذیه جداگانه و مستقل دارد ولی در مدل پسیو، تغذیه از طریق همان زوج سیم جریان خروجی به ترانسمیتر داده می شود و نیاز به مسیر جداگانه برای تغذیه نیست. این موضوع باعث کاهش سیم کشی در سامانه های کنترل و مانیتورینگ می گردد. این نوع ترانسمیتر را ترانسمیتر  Loop-Powered یا پسیو نیز می نامند.

ساختمان ترانسمیتر ها :
به طور كلي ترانسميتر ها از سه قسمت اصلي حس كننده، مبدل(ترانسديوسر) و تقويت كننده تشكيل مي شود.
ترانسميترها درانواع الكتريكي و نيوماتيكي ساخته مي شوند. خروجي ترانسميتر هاي الكتريكي بين ۴ تا ۲۰ ميلي آمپر و ترانسميتر هاي نيوماتيكي بين ۳ تا ۱۵ psi بر حسب تغييرات كميت ورودي مي تواند تغيير كند. (PSI=POUND-SQUARE INCH)
لازم به ذكر است قسمت هاي مبدل و تقويت كننده براي انواع ترانسميتر ها يكسان بوده و فقط قسمت حس كننده براي كميت هاي مختلف متفاوت مي باشد. مثلاً در مورد ترانسميتر درجه حرارت قسمت حس كننده به درجه حرارت و درمورد ترانسميتر هاي فشار قسمت حس كننده به درجه فشار حساس خواهند بود.
براي مدرج كردن و يا كاليبره كردن ترانسميتر ها طبق دستور سازنده با دادن ورودي هاي معين و معلوم خروجي را تنظيم مي كنيم. مثلاً اگر ورودي صفر باشد خروجي ترانسميتر نيوماتيكي بايد ۳ پی اس ای باشد و اگر ورودي حداكثر باشد خروجي بايد ۱۵ را نشان دهد .

ترانسميترهاي دما :
ترانسميترهاي دما در دو نوع ترمومتر RTD و ترموكوبل موجود مي‎باشند.
نشانگر اين دستگاه ها قابل انتخاب بوده و قابل نصب در تابلو نيز مي‎باشند.
( DIN rail or field mounted )
داراي خروجي‎هاي mA 4-20HART4-20 mA , Pt1000,  PT 100  
داراي استاندارد محيط‎هاي انفجاري
داراي استاندارد صنايع غذايي و بهداشتي
داراي مقاومت بالا و قابل استفاده در محيط‎هاي شيميايي و خورنده

 

 

 

 

مجموعه: ابزار دقیق خواندن 1569 دفعه
محتوای بیشتر در این بخش:

جستجو