دما، وسيع ترين کميت مورد اندازه گيري در صنايع پروسسي است. محدوده وسيع کاربرد اندازه گيری دما و محيط هاي مختلف کاري آن، سازگاري هاي مهندسي مختلف سنسورهای دمایی را ايجاد کرده است. روش هاي اساسي اندازه گيري دما که اثبات شده، به چند روش محدود مي شود.
روش هاي اندازه گيري دما
نوارهاي بي متال و ترميستورها براي نمايشگرهاي محلي، جبرانسازي و کاربردهاي حفاظتي بکار مي روند آنها همچنين براي اندازه گيري دما، تغييرات دما و ايجاد يک عمل محلي نيز استفاده مي شوند.
علاوه بر آنها، ترموکوپل، بعنوان سنسور اصلي دما که بيش از نیمی از همه کاربردها به آن اختصاص دارد، مي باشد. مقاومت آشکار دما ( RTD)حدود %25و ترميستورها، حدود %10تا %15از همه کاربردها را دارند. سنسورهاي نيمه هادي و انواع مختلف پيرومترهاي تشعشعي ساير گستره سنسورها را مي پوشانند.
واحد های اندازه گیری دما
معمولا برای اندازه گیری دما از ابزار هایی مانند دماسنج و یکسری سنسور دما استفاده می شود.
عین هر ویژگی دیگری از ماده ها ، دما هم واحد های اندازه گیری مختلفی دارد که چندتا از آنهارا با توضیح مختصر برای شما بیان میکنیم:
درجه سانتیگراد : درجه سانتیگراد را می توان بعنوان یکی از واحد های اندازه گیری دما معرفی کرد که معیار آن برای سنجش دما نقطه جوش آمدن آب (100 درجه) و نقطه ذوب شدن یخ(صفر درجه) می باشد.
درجه فارنهایت: یکی دیگر از واحد های اندازه گیری دما، فارنهایت است. در این نوع درجه برای اندازه گیری دما، 3 نفطه را مبنا قرار می دهیم
- صفر درجه فارنهایت: دمای تعادل مخلوط آب و یخ و آمونیوم کلرید با نسبت مساوی
- 32 درجه فارنهایت: دمای تعادل مخلوط یخ و آب
- 98.6 درجه فارنهایت: دبای بدن انسان سالم
تبديل دما
اغلب يک اپراتور پروسس يا يک تکنسين تعميرات، احتياج به تبديل دماي خوانده شده در يک درجه بندي (مقياس) به درجه بندي ديگر را دارد. پس خيلي مهم است که تبديل از يک درجه بندي ديگر را بداند. براي تبديل ا ز سلسيوس به فارنهايت و برعکس ، فرمول زير استفاده مي شود:
(9C=5(F-32
دماي سيلسيوس خوانده شده، بوسيله فرمول زير به درجه بندي کلوين تبديل مي شود:
K=C+273
و دماي فارنهايت خوانده شده ، بوسيله فرمول زير به درجه بندي رانکلين تبديل مي شود.
R=F+460
احتياجات نصب دماسنج
بعضي از دماسنج ها، در سيال مورد اندازه گيري، به صورت معلق قرار ميگيرند مثلاً در طول دوره کاليبراسيون، براي حالت نصب دائم، دماسنج نياز به بسته بندي و اتصالاتي مطابق شکل دارد. همچنين براي جلوگيري از شکشتن دماسنج، نياز به محافظت هايي مي باشد.
دماسنج های بی متال (Bimetallic)
دماسنج هاي بي متال عموماً در کاربردهاي پروسسي استفاده مي شوند، دليل اين امر هم محکم تر بودن و کمتر خسارت ديدن آنها در مقايسه با دماسنج هاي شيشه اي مي باشد.
اين دماسنج ها با استفاده از خاصيت تفاوت در انبساط حرارتي فلزات به منظور اندازه گيري دما استفاده مي شوند. نوارهايي از فلزات با ضريب انبساط حرارتي مختلف به يکديگر متصل مي شوند. افزايش دما، باعث خم شدن محموعه ميشود. وقتي که اين اتفاق ميافتد، نوار فلزي با ضريب انبساط حرارتي بالاتر، بيشتر از نوار ديگر منبسط مي شود. با کاليبراسيون، رابطه اي بين موقعيت زاويهاي بي متال و درجه حرارت، به دست مي آيد که از آن بعنوان دماسنج استفاده ميشود.
مواد به کار رفته در دماسنج های بی متال
آلياژ نيکل- آهن معمولاً براي دماسنج هاي بي متاليک استفاده مي شوند. آلياژ Invar (نيکل %35) داراي ضريب انبساط حرارتي خيلي کم مي باشد. خيلي از دماسنج هاي بي متال از Invar به عنوان فلز با ضريب انبساط حرارتي کم استفاده مي کنند و از آلياژ آهن-نيکل به عنوان فلز با انبساط حرارتي بالا استفاده ميکنند.
براي صرفه جويي فضا، بيشتر نوارهاي حسگر دما به صورت حلزوني (Spiral) يا مارپيچ (Helical ) پيچيده مي شوند
در اين حالت، با گرم شدن عنصر بي متال، مارپيچ باز مي شود که علت آن تفاوت انبساطي حرارتي آلياژها است. نشان دهنده بوسيله يک ميله به مارپيچ متصل شده، در جهت عکس مارپيچ ميگردد و دما را بر روي صفحه دايره اي کاليبره شده نشان ميدهند.
دماسنج های بي متال براي اندازه گيري دماهاي بين 150c تا تقريباً 500 c بکار مي روند.آنها ميتوانند دماهاي تا 600 را هم نشان دهند. اما نه به صورت پيوسته، زيرا المان بي متال (helix ) در اين دما، بيش از حد کشش مييابد و اين باعث از دست رفتن دقت دائمي آن ميشود.
ترموکوپل ها
Seebeck براي اولين بار در سال 1821اصول ترموکوپلها را شرح داد. او کشف کرد که اگر دو رشته سيم فلزي غير همجنس تشکيل يک مدار را بدهند، به طوري داراي حداقل دو اتصال در دماهاي مختلف باشند، يک نيروي الکتروموتوري (emf )توليد مي شود. با استناد به اين حقيقت، ترموکوپل ، يک سنسور دماي الکتريکي محسوب ميشود.
نحوه کار ترموکوپل
ساده ترين نوع ترموکوپل ، از دو سيم، هر کدام از يک فلز يا آلياژ هموژن غير همجنس تشکيل شده است. به منظور اندازه گيری دما، يک طرف سيم ها به هم متصل شده، يک اتصال را تشکيل ميدهند. اين اتصال اندازه گيري در معرض سيال يا محيط تحت اندازه گيري قرار مي گيرد. دو انتهاي ديگر سيم ها که به هم وصل شده اند، معمولاً به وسيله اندازه گيري کننده وصل شده و اتصال مرجع را تشکيل ميدهند.
وقتي دو اتصال در دو دماي مختلف باشند، جرياني در مدار برقرار مي شود. با افزايش اختلاف دماي دو اتصال، emfتوليد شده توسط ترموکوپل افزايش مييابد. با اندازه گيري ، emfميتوان دما را اندازه گيري کرد.
emf توليدي، خيلي کوچک بوده، در حد ميلي ولت است. به عنوان مثال emfخروجي ترموکوپل آهن/ کنستانتن (نيکل مس) مطابق جدول است
نحوه ایجاد اتصال پایدار
انتهاي ترمينال ترموکوپل که به وسيله اندازه گيري کننده وصل ميشود، معمولاً به نقطه اي که اندازه گيری دما مي شود نزديک است و ممکن است با تغييرات دما تغيير کند. اين شرايط نميتواند يک اتصال سرد پايدار مناسب را براي اهداف اندازه گيري ايجاد کند. سرهاي اتصال ترموکوپل به يک وسيله اندازه گيري ابزار دقيقي که در يک فاصله مشخص از آن قرار دارد، در شرايط دمايي ثابت به کار ميروند. اين سرها بايستي از جنس فلز ترموکوپل ساخته شوند، در غير اين صورت ترموکوپلهاي ديگري هم بين دو فلز غير همجنس بوجود خواهند آمد.
ساخت ترموکوپل با بعضي از فلزات براي مسافتهاي بالا به دليل گران بودن مقرون به صرفه نيس، بنابراين سيم هاي ارزانتر با خواص الکتريکي مشابه استفاده مي شوند، که آنها را کابلهاي جبران سازي مي نامند. استفاده از آنها، به منظور انتقال اتصال سرد به وسيله ابزار دقيق اندازه گيري کننده ميباشد. تغييرات کم دماي محيط در اتصال سرد، ميتواند به صورت اتوماتيک جبرانسازي شود. محدوده هاي دمايي چند ترموکوپل رايج در جدول زير نشان داده شده است. اولين فلزي که در جدول براي هر ترموپل نوشته شده سيم مثبت است
مقاومت آشکار ساز دما (Resistance Temperature Detector)
دسته اي ديگر از وسايل اندازه گیری دما الکتريکي، مقاومت آشکار ساز دما يا به طور ساده RTD هستند که در شکل صفحه بعد ساختمان يک نمونه از آن آمده است. فلسفه استفاده از RTD بر اساس اين واقعيت که مقاومت الکتريکي هر فلز با تغييرات دمايي رابطه مستقيم دارد بنا شده است. منحني دما بر حسب مقاومت براي ماده يک سيم را مي توان با معلوم بودن ضريب دمايي مقاومت آن پيش بيني کرد.
عنصر حس کننده يک RTDمعمولاً شامل يک سيم متصل به طول ميله براي تهيه مقاومت در صفر درجه ميباشد. سيم ممکن است به صورت سيم پيچ باشد يا به دور يک ماده عايق پيچيده شده باشد. طول عنصر حسگر به طور معمول از 12mm تا 62mm است. پلاتينيوم شايعترين فلزي است که توسط شرکتهاي سازنده عنصر توليد ميشود.
مقاومت پلاتينيوم با دما تقريباً خطي ميباشد و داراي مقاومت بالا براي هر واحد طول (ρPT=9.81×10-6Ω.Cm) و يک نقطه ذوب بالا و يک ضريب حرارتي بالاي مقاومتي نيز مي باشد (0.00385Ω/ΩºC) يک اندازه گیری دما مقاومتي در قسمتي از يک مدار که خود داراي مقاومتهاي معلوم ميباشد قرار ميگيرد و با آنها مقايسه ميگردد ، اين مدار با نام پل مقاومتي (پل وتستون)شناخته ميشود.
بر خلاف ترموکوپل، RTD از خود ولتاژ توليد نميکند و يک منبع ولتاژ خارجي بايستي به مدار متصل شود. سنسورها معمولاً در فاصله خيلي دور از مدار قرائت ابزار دقيقي قرار ميگيرند.
سرهاي مسي معمولاً بعنوان سيم هاي اتصال دهنده استفاده ميشوند. سيم هاي اتصال داراي يک مقاومت در اتصال سري با RTD ميباشند. در مسافت هاي بالا، مقاومت سيم هاي مسي ممکن است بيشتر از مقاومت سنسور RTD شوند و در نتيجه در اندازه گيري خطا بوجود آيد. به همين دليل سنسورهاي RTD را با دو يا سه سيم بکار مي برند.
مشکلات استفاده از RTD
يکي از مشکلات استفاده از ، RTD نداشتن يک استاندارد واحد براي RTD ها است. چندين استاندارد، مقادير متفاوتي براي ضريب دمايي مقاومت يک فلز داده شده، تعيين کرده اند . بعلاوه سازندگان نيز درصد خطا (تلزانس)هاي مختلفي را در ساخت RTD ها مشاهده مي کنند. بنابراين مشکلات دقت در زماني که RTD هايي از سازندگان مختلف در يک سيستم مشابه استفاده شود، بوجود مي آيد يا زماني که RTD يک توليد کننده جايگزين RTD توليد کننده ديگر مي شود.
براي جلوگيري از خطاي دقت ممکن، بايستي در استفاده درست از منحني تغييرات دما بر حسب مقاومت، در زمان کاليبراسيون سيستم هاي RTD دقت لازم را مبذول داشت.
کاليبراسيون دما
با توجه به دقت مورد نياز، تجهيزاتي براي کاليبراسيون وسايل مرتبط با دما بکار مي روند که در صورت نياز به دقت بالاتر، هزينه ها نيز بالاتر مي روند. تجهيزات مورد نياز بر حسب دقت، به سه گروه تقسيم مي شوند:
سسيستم معمولي (General purpose system) براي تست سنسورهاي حرارتي با دقت بين 1.0ºCتا 0.1ºC
با استفاده از تکنيک هاي مقايسه ( Comparison techniques)
سيستم استاندارد ثانويه (secondary standards system)
براي تست سنسورهاي حرارتي با دقت بين 0.1ºCتا 0.01ºC
با استفاده از تکنيک هاي مقايسه کيفيت بالا و (fixed point measurements)
اندازه گيري نقطه ثابت سيستم استاندارد اوليه (primary standards system)
براي تست سنسورهاي حرارتي با دقت بالاتر از 0.001ºC
با استفاده وسايل دقيق و پيشرفته شامل:
thermal refrence stable temperature source
centified Pt100 refrence probe complete with its certificate
( precision electionic digital thermometer, bridge or DVM (digital voltmeter
يکي از مراجع حرارتي در اندازه گیری دما، کاليبراتور dry block است که در شکل 11-4ديده مي شود. رنج اين نوع کاليبراتورها ميتواند از -50ºCتا +1200ºCباشد. درون اين کاليبراتور از Well هاي متفاوتي ساخته شده تا بتواند قطرهاي متفاوت انواع پروب مرجع و تست را براي کاليبره در آن قرار گيرد. همچنين مي تواند انواع کوره يا اجاق با کنترل حرارتي دقيق يا حمام مايع همزن داشته باشد
اين نوع کاليبراتورها ، بسيار راحت، قابل حمل و سرعت گرم و سرد شدن بالايي دارند. دما تا رسيدن به حد مطلوب، بصورت الکترونيکي کنترل ميشود. از تکنيک مقايسه براي کاليبره دما در آن استفاده مي شود.
بنابراين در آن از يک سنسور حرارتي و يک نمايشگر درجه حرارت به عنوان مرجعي براي مقايسه با پروب مورد آزمايش استفاده ميگردد. معمولاً دو نوع dry block وجود دارد. يکي به صورت پرتابل که قابل حمل به داخل سايت است و ديگري در آزمايشگاه که سنسورها در صورت نياز به آنجا آورده شوند.
کلاس دماي (Temperature)
تمامي محصولاتي که براي استفاده در نواحي خطر برای اندازه گیری دما بکار مي روند بايد کلاس دمايي آنها مشخص گردد. کلاس دمايي عبارت است از حداکثر درجه حرارت سطح يک محصول که در آن دما، اجازه کار دارد. با توجه به نوع حفاظت استفاده شده براي محصول مانند Exe و Exdغيره، کلاس دمايي مربوط مي شود به حداکثر دماي سطح خارجي يا حداکثر دماي سطح داخلي محصول.
براي انتخاب يک محصول، بايد دقت کرد که کلاس دمايي آن، پايين تر از حداقل دماي جرقه (ignition) فضاي انفجاري است که آن محصول در آنجا نصب شده باشد. از لحاظ کلاس دمايي، بين استاندارد North Americanو Canadianبا استاندارد Europeاختلافي مطابق جدول زير وجود دارد.
در این مقاله ما در مورد اندازه گیری دما، روشهای اندازه گیری دما و هرآنچه که لازم به یادگیری در مورد دماسنج و سنسور دما بود را بیان کردیم. شما می توانید برای خرید سنسور دما ifm از شرکت هیدروپردازش با همکاران ما در بخش فروش در ارتباط باشید.