اصول اولیه دما و اندازه گیری دما

اصول اولیه دما و اندازه گیری دما

 مفهوم دما

• درجه سردی و گرمی اجسام را دما می گویند.

• دما کمیتی نسبی و مقایسه ای است.

• برای اندازه گیری دما از برخی خواص فیزیکی قابل اندازه گیری استفاده می گردد.

•  از این خواص می توان به حجم، فشار، مقاومت الکتریکی و ... نام برد.

روش های اندازه گیری دما

الف ) روش های تماسی :

• روش های مکانیکی : قدیمی ترین نوع اندازه گیری دما ، اندازه گیری از نوع مکانیکی می باشد. در این اندازه گیری دما به یک کمیت مکانیکی (معمولا ً جابجایی) تبدیل می گردد.

انواع دماسنج های مکانیکی :

1)دماسنج  انبساط سیال

2)دماسنج گازی

3)دماسنج مایع

• روش های الکتریکی :

1)مقاومتی

2) ترموکوپل

3)سنسور دمایی

 ب ) روش های غیر تماسی :

1)نوریIR

2)الکترونی

دماسنج انبساط سيال:

  اين نوع دماسنج يكي از باصرفه ترين، رايج ترين و تطبيق پذيرترين وسايل اندازگيري دما در صنعت مي باشد. اساس كار اين دماسنج در شكل زیر نشان داده شده است. همانگونه كه ملاحظه مي شود با افزايش دما فشار درون حباب كه مي تواند محتوي مايع، گاز يا بخار باشد، بالا رفته و توسط فشارسنج اندازه گيري مي شود. طول لوله مويين مي تواند تا 60 متر باشد؛ اما اين مقدار بر دقت اندازه گيري دما تأثير گذار خواهد بود. بهترين حالت زماني است كه از لوله مويين كوتاه كه به يك ترانس ديوسر فشار الكتريكي متصل شده استفاده گردد.

دماسنج گازی:

 • برای افزایش حوزه ی اندازه گیری می توان تغییرات دما را به تغییرات فشار تبدیل نمود.

• این دماسنج از یک مخزن و لوله ی موئين که با یک گاز کامل (معمولا نیتروژن) پر شده  تشکیل شده است.

• برای اندازه گیری از قانون گاز های ایده آل استفاده می کند.

• جابجایی لوله موئين می تواند به عنوان دمای اندازه گیری شده مقیاس گردد.

• در عمل برای جابجایی ، لوله ی موئين را به صورت مارپیچ یا شکل های دیگر می سازند.

• از این روش برای اندازه گیری دما در ظروف و مخازن بسته لستفاده می شود .

قانون گازهای ایده آل:

در این رابطه p  فشار گاز،Vحجم گاز، T دما، n تعداد مول‌های ذرات سیستم، R ثابت جهانی گازها می باشد.

PV = nRT

R = 8.314  J · K-1 · mol-1

در این رابطه P متناسب یا T تغییر می کند

دماسنج مایع:

• يكي از رايج ترين انواع دماسنج هاي مورد استفاده در صنعت

•عمدتاً اين نوع دماسنج را بعنوان دماسنج هاي جيوه اي يا الكلي مي شناسيم.  • دماسنج ها از يك مخزن مايع و يك لوله مويين تشكيل شده كه 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 اندازه گيري دما از 37/8- تا 315 سانتيگراد استفاده نمود. اما اگر فضاي بالاي سطح جيوه را از گاز ازت پر نمايند، مي توان تا دماي 538 درجه از آن استفاده نمود.

ترموکوپل:

• ترموکوپل یک ترانسدیوسرخود مولد است که از ایجاد دو یا چند اتصال بین فلزات با جنس متفاوت تشکیل شده‌است

•امتیاز عمده ی ترموکوپل ها محدوده ی وسیع اندازه گیری آنهاست.

•بازه ی اندازه گیری آنها به طور اسمی از ۱۸۰- تا ۱۸۰۰+ درجه سانتیگراد را در برمی گیرد.

• دیگر امتیاز ترموکوپلها، عملکرد خطی آنها در محدوده اندازه گیری است.

اصول فیزیکی ترموكوپل

زماني كه دو فلز غير همسان به يكديگراز دو سر پيوند داده شوند ، در اثر تغييرات دمايي در يك سر از اين مدار ترمو الكتريك ولتاژي در مدار ايجاد مي شود. اين پديده امروزه به نام پديده سيبك شناخته مي شود.

اصول دما:

رابطه بين تغييرات دمايي و ولتاژ خروجي ترموكوپل ها بصورت غير خطي است كه براساس چند جمله ای سری توانی به خوبي قابل تخمين است.

انواع ترموكوپل بر اساس ساختاردروني آنها

 ترموكوپل هاي فلزات پايه (base metal)

  این نوع ترموکوپل ها بیشتر از فلزات و آلیاژهای ارزان قیمت ساخته شده اند.

  به عنوان نمونه می توان به نیکل، مس، آهن، کروم، آلومینیم و ... اشاره کرد.

ترموكوپل هاي فلزات پايه (base metal)

انواع متداول این ترموکوپل ها عبارت است از:

• K ترموكوپل نوع     ( Ni-Cr/Ni-Al  )

• J ترموكوپل نوع      ( Iron/Cu-Ni  )

• E ترموكوپل نوع   ( Ni-Cr/Cu-Ni )     

• N  ترموكوپل نوع ( Nicrosil/Nisil )    

• T ترموكوپل نوع  ( Cu/CuNi )       

ترموكوپل فلزات گرانبها(noble metal) 

• این نوع ترموکوپل ها بیشتر از فلزات کمیاب و گرانقیمت ساخته شده اند.

•  به عنوان نمونه می توان به طلا، پلاتین، رادیوم و ... اشاره کرد.

انواع متداول این ترموکوپل ها عبارت است از:

انواع متداول این ترموکوپل ها عبارت است از:

 S ترموكوپل نوع (Pt-10%Rh/Pt) R ترموكوپل نوع (Pt-13%Rh/Pt)B ترموكوپل نوع  (Pt-30%Rh/Pt-6%Rh) 

انواع سري هاي پروب هاي ترموكوپل:

•ترمو كوپل با اتصال به  زمين : (   Grounded thermocouple)

عكس العمل سريع

• ترموكوپل بدون اتصال به زمين : (‌Ungrounded thermocouple )

براي محافظت بيشتر و اتصال چند پراب به یک سیستم

• ترموكوپل در معرض : (‌ Exposed thermocouple)

بيشتر براي اندازه گيري در هوا مناسب هستند

استاندارد رنگ در ترموکوپل ها:

دما سنج های مقاومتی

Resistive Temperature Devices

1- RTD

همانطور که می دانیم مقاومت نسبت مسقیم با دما دارد . این رابطه توسط رابطه مقابل توصیف می شود.

معمولاً برای ساختن این مقاومت ها از پلاتین استفاده می کنند .

2- PT100

از پلاتین در دمای صفر درجه سانتی گراد جریان آمپر گذرانده و مقاومت آن را به وسیله یک اهم متر اندازه می گیرند . زمانی که مقاومت به 100 اهم رسید آن را قطع کرده و به عنوان یک PT100 از آن استفاده می کنند . به همین ترتیب می توان  PT1000 تولید کرد و یا از فلز دیگری به عنوان مثال ژرمانیوم استفاده نمود . ر چه مقامت بیشتر باشد دقت اندازه گیری و حساسیت نسبت به تغییرات دما بیشتر می باشد .  

حسگرهای RTD معمولا به سه روش ساخته می شوند

1-سیم پیچانده شده (Wound Wire)

2- سيم پيچي ( coil Elements)

3- فیلم نازک (Thin Film)

RTD های سیم پیچی شده (Wound Wire):

RTD های سیم پیچی شده با پیچیدن یک رشته ی بسیار ظریف از سیم پلاتینی به شکل یک پیچک به دور یک ماده ی غیر هادی (مثل سرامیک یا شیشه) تا رسیدن به مقاومت مورد نظر ساخته می شوند.سپس این مجموعه برای حفاظت در برابر اتصال کوتاه و ایجاد مقاومت لرزشی ، آماده سازی می گردد.

 اگر چه RTD های سیم پیچی شده بسیار پایدار هستند ، اما هدایت حرارتی بین پلاتین و نقطه ی مورد اندازه گیری ، خیلی خوب نیست و در نتیجه ، پاسخ حرارتی آن ها کند است.

 فلزات اساسا مقاومت الکتریکی کمی دارند ، بنابراین برای آشکار سازی تغییرات مقاومت الکتریکی باید اندازه ی مقاومت فلز در دمای صفر نسبتا بزرگ باشد ، به همین دلیل با ساخت مقاومت به صورت سیم پیچ طول آن را افزایش داده و مقاومت بزرگی می سازند.

RTD های فیلم نازک (Thin Film):

RTD هابه شکل مقاومت روی یک زیر لایه ی سرامیکی ساخته می شوند. این فیلم نازک پرداخت می شود تا مقاومت مورد نیاز حاصل شود ، سپس جهت ایجاد مقاومت در برابر رطوبت و مقاومت ارتعاشی ، این فیلم نازک با شیشه یا اپوکسی (Epoxy) پوشانده می شود.

• از مزایای RTD های فیلم نازک پاسخ حرارتی بسیار سریع ، حساسیت کم نسبت به ارتعاش و قیمت کم تر آن ها نسبت به انواع سیم پیچی شده می باشد.

•RTD های فیلم نازک دارای قابلیت ایجاد مقاومت بالاتر برای یک اندازه ی مشخص هستند.

•این RTD ها پایداری کم تری نسبت به انواع سیم پیچی شده دارند ، ولی به دلیل قیمت بسیار پایین تر آن ها ، کاربرد آن ها به طور روز افزون در فیلم نازک ، با نشاندن (Deposition) یک لایه پلاتین حال گسترش است.

مدارات معادل پل در اندازه گیری مقاومت: RTD:

ساختار مدار پل سه سیم:

ساختار مدار پل چهار سیم:

ترمیستور(Thermistor)

ترمیستورها نیمه هادی های غیر فعال و حساس به دما هستند که در هنگام قرار گرفتن در معرض تغییر کم دمای پیرامون ، تغییرات زیادی در مقاومت الکتریکی ایجاد می کنند

 ترمیستور ها بسیار حساس هستند.100 برابر RTD ها و 1000 برابر ترموکوپل ها

 ترمیستور از کلمات Thermal به معنای حرارتی و Resistor به معنای مقاومت گرفته شده است

از این مقاومت ها در مدارهابه صورت حس کنندهSensor) )های حرارتی در مسیر دستگاه های الکتریکی نظیر موتورهای الکتریکی ، کوره ها ، سیستم های تهویه و تبرید استفاده می شود

   اگر تغییرات دما با مقاومت را به صورت خطی در نظر بگیریم :

   در این عبارت k ضریب دمایی مقاومت مرتبه اول نام دارد.

   تغییرات مقاومت=DELTA R

   تغییرات دما= DELTA T

  با توجه به علامت k دو دسته ترمیستور داریم:

1- Positive Temperature Coefficient ( PTC)  K>0 

با افزایش دما مقاومت افزایش می یابد.

در مدارهای قدرت برای حفاظت در برابر جریان هجومی (In-Rush ) به کار برده می شوند

ترمیستورهای PTC به ترمیستورهایwitching PTC معروف هستند، بدین معنا که پس از رسیدن به دمای کوری مقاومت به شدت افزایش می یابد

2- Negative Temperature Coefficient (NTC )   K<0

• با افزایش دما مقاومت کاهش می یابد.

• ترمیستورهای NTC قابلیت های زیادی را برای اندازه گیری و کنترل دما ارائه می دهند

• ترمیستور نوع NTC حساسیت 3- % تا 6- دارد که در مقایسه با RTD خیلی بالاتر است

رابطه خطی دما و مقاومت در محدوده کوچکی برقرار می باشد.برای اندازه گیری دقیق دما از رابطهSteinhart-Hart  استفاده می شود.

 a,b,c   پارامتر های Steinhart-Hat  نامیده می شوند و برای هر وسیله مشخص می شوند.برای ترمیستورهای NTC  از معادله دیگری که در واقع همان معادله فوق با شرط C=0  استفاده می شود.

پس از بازنویسی داریم:

 R مقاومت ترمیستور بر حسب اهم می باشد

که در این عبارت:

بررسی ترمیستورها ا از نظر ساختار:

 الف)    PTC           سرامیک   (                Barium titanate)

                                 پلیمر      ( پلاستیک و کربن )

ب) NTC ها از قالب هاي نيمه هادي همانند اکسید فلزاتی مانند منگنز ،نیکل ،مس ،آهن و کبالت ساخته شده است . در ساختار اين گونه نيمه هادي ها با افزايش دما قابليت قرص نيمه هادي در باند رسانش براي جابجايي الكترون ها و در نتيجه بار الكتريكي افزايش مي يابد .  كه اين افزايش به افزايش جريان الكتريكي مي انجامد .

I=n.A.v.e

I=تعداد الکترون( آمپر) 
n =دانسیته بار الکتریکی( متر مكعب / شمار) 
A =سطح ماده (متر مربع)
v=  سرعت حامل هاي الكتريكي (‌ متر بر ثانيه )‌
e  =بار يك الکترون

ترمیستورهای دانه ای:(Bead Type)

برای تبدیل مقاومت ترمیستور به ولتاژ می توان از مدار پل استفاده نمود ولی به دلیل مشخصه غیر خطی ترمیستور، خطای غیر خطی مدار پل تاثیر می گذارد که در صورت استفاده از مدار پل باید این موضوع لحاظ شود.

روش دیگر استفاده از مدار پایین است که روشی مشابه تقسیم ولتاژ می باشد. در این روش OP. Amp با نسبت مقاومت ترمیستور بهRs  ولتاژ خروجی را تولید می کند

مزایا:

•ترمیستر دارای ابعاد کوچک است

•دارای مقاومت ویژه الکتریکی بالا هستند

•نسبت به تغییرات دمایی خیلی سریع پاسخ می دهند

•ساختار مکانیکی ترمیستورها به گونه ای است که دارای استحکام بالایی هستند

•ترمیستورها می توانند برای حس کردن دمای موقعیت های خارجی به کار برده شوند 

معایب:

•ترمیستورها در اثر عبور جریان الکتریسیته ، در خود تولید گرما می کننداین سبب می شود که میزان مقاومت کم تر از مقدار صحیح آن نشان داده شود

•مشخصه ی ترمیستور ها بسیار غیر خطی تر از فلزات است

•حوزه ی اندازه گیری آن ها بسیار کوچک تر از فلزات می باشد

مقایسه مشخصه دما و ولتاژ حسگرهای مقاومتی

مقایسه انواع ترمومتر مقاومتی:

اندازه گیری تشعشعی دما

اندازه گیرهایتشعشعی دما به نام پیرومتر (Pyrometer) شناخته می شوند. 
از ویژگی این اندازه گیری این است که نیاز به تماس با پروسه ی اندازه گیری نیست.
از این سیستم می توان برای مواردی که پروسه متحرک است و یا دمای آن بسیار بالا است ، به گونهای که هر گونه تماس موجب ذوب شدن و خرابی اندازه گیری می شود و یا هنگامی که پروسه دارای مواد مخرب و زیان بار است استفاده نمود.

این توانایی بر پایه قانون پلانک در تابش جسم سیاه است، که می گوید هر شیء انرژی تابشی را منتشر میکند که شدت آن تابعی از دمای شیء است                                                                                       

 سنسور بطور ساده شدت تشعشع را اندازه می گیرد و به سبب آن دمای شیء  اندازه گیری می شود

U(t)=b

نمودار شدت تابش بر حسب طول موج: