درجه حرارت یکی از معمول ترین و مهم ترین کمیتی است که برای کنترل اكثر 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:
١- تغییر در ظرفیت اتصال دو فلز غیر مشابه به وسیله دما: در ترموکوپل ها مورد استفاده قرار می گیرد.
۲- تغییر در مقاومت الکتریکی به وسیله دما: در اندازه گیرهای مقاومتی و ترمیستورها استفاده می شوند.
٣- 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.
۴- تغییر در انرژی تابشی به وسیله دما: در اندازه گیرهای تشعشعی و نوری مورد استفاده قرار می گیرند.
انواع دماسنج ها و طرز کار آن ها
دماسنج معمولاً از یک لوله شیشه ای که دو طرف آن بسته و در قسمت پایین آن مخزنی پر از جیوه یا الكل 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.
این دماسنج جهت اندازه گیری حرارت بدن به کار می رود و چون حد متوسط حرارت بدن انسان ۳۷ درجه سانتیگراد (98.5 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 تكان شديد بدهید تا جيوه داخل لوله از خمیدگی بگذرد و کامل وارد مخزن گردد
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.
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 200 درجه، سرعت پاسخ کم، خود گرمایی
1. روش های مکانیکی:
جیوه در دماسنجهای شیشه ای
این شامل یک لوله شیشه ای از سوراخ بسیار ظریف است که به مخزنی در پایین متصل شده و در قسمت بالا مهر و موم شده است. مقدار اندازه گیری شده جیوه محصور شده است. هنگامی که دماسنج گرم می شود ، جیوه بسیار بیشتر از
شیشه منبسط می شود و بنابراین مجبور می شود در لوله ها بالا برود.
دو فلز که ضریب انبساط خطی آنها متفاوت است ، جوش داده شده و تا ضخامت میل به هم می غلتند. حرکت واقعی یک دو فلزی انعطاف پذیری آن با یک انتهای ثابت است ، یک نوار دو فلزی مستقیم متناسب با درجه حرارت آن ، به مربع طول آن و معکوس با ضخیم شدن آن منحرف می شود.
سیستم دماسنج جبران شده:
برای خنثی کردن تأثیر تغییرات دمای محیط ، جبران خسارت ارائه می شود. جبران در سیستم حرارتی انبساط پر از مایع شامل لوله دوم و عنصر مارپیچ است ، هر دو مایع پر شده اند.
این دو عنصر به قدری ساخته شده اند که مارپیچ اندازه گیری بر روی یک پایه متحرک شناور می شود که موقعیت آن توسط مارپیچ جبران کننده اداره می شود. حجم این دو لوله و مارپیچ با هم مطابقت دارند به طوری که تغییر
دما در حالت دستگاه و در امتداد لوله مویرگی ، حرکت مساوی از هر دو مارپیچ را ایجاد می کند. چنین حرکتی بی فایده است به طوری که تنها حرکتی که با تغییر درجه حرارت لامپ ایجاد می شود قلم ضبط را فعال می کند.
دماسنجهای پر از گاز:
این نوع به افزایش فشار گاز تأیید (حجم ثابت) به دلیل افزایش دما بستگی دارد. رابطه بین دما و فشار در این نوع سیستم از قانون چارلز پیروی می کند و ممکن است بیان شود.
سیستم تحت فشار زیاد پر می شود. فشار افزایش برای هر درجه از افزایش دما بیشتر از فشار فشار پایین است. نیتروژن بیشترین گاز مورد استفاده در چنین سیستم هایی است ، زیرا از نظر شیمیایی ضریب انبساط حرارتی مناسبی را وارد می کند و دارد.
بخار - دماسنج فشار:
دماسنج های فشار بخار به فشار بخار مایع بستگی دارد که فقط تا حدی سیستم را پر می کند. در دماهای پایین افزایش فشار بخار برای هر واحد دمای واحد کم است ، در دمای بالاتر
تغییر فشار بخار بسیار بیشتر است.
ترموکوپل
این ترموکوپل یکی از پرکاربردترین و متداول ترین نوع ترکوپل ها شناخته می شود. رنج عملکرد دمایی آن بین 250- تا 1300+ درجه سانتی گراد است. ترموکوپل نوع K، از سیم های فلزی کرومل و آلومل ساخته شده است. ترموکوپل نوع K در دماهای بالا مورد استفاده بوده و همچنین خاصیت ضداکسیداسیون دارد.
جنس این ترموکوپل از فلز آهن و آلیاژهای مس – نیکل بوده و برای رنج دمایی بین 180- تا 800+ درجه سانتی گراد مناسب است. از این ترموکوپل به علت آلیاژ به کار رفته در آن و جلوگیری از هرگونه اکسیداسیون در صنایع قالب ریزی پلاستیک استفاده می شود.
آلیاژ به کار رفته در این نوع ترموکوپل از فلزات کرومل و کنستانتان بوده و رنج عملکرد دمایی بین 40- تا 900+ درجه سانتیگراد را شامل می شود. از این تیپ ترموکوپل به دلیل حساسیت زیاد آن می توان در کاربردهای خلاء و مواردی که سنسور در آن حفاظت نشده استفاده کرد.
این نوع ترموکوپل از آلیاژهای مس و کنستانتان و با رنج عملکرد دمایی 250- تا 400+ درجه سانتیگراد ساخته شده است. این نوع ترموکوپل دارای قیمت مناسب و در برابر رطوبت مقاوم است. همچنین در کاربردهای با دمای پایین مناسب است. از این نوع ترموکوپل به علت کارایی، خطی تر بودن، رنج دمایی و همچنین حساسیت مناسب در صنعت بیشتر استفاده می گردد.
این ترموکوپل از فلزهای نیکروسیل و نیسیل ساخته شده و دارای محدودۀ عملکرد دمایی 270- تا 1300+ درجه است. حساسیت این نوع ترموکوپل بالا بوده بنابراین در دماهای بالا مورد استفاده قرار می گیرد. لازم به ذکر است این نوع سنسور دارای مقاومت بیشتری نسبت به نوع تیپ K در برابر اکسید شدن است.
آلیاژ به کار رفته در این ترموکوپل ها از نوع پلاتین-رادیوم است و تفاوت این سه تیپ نیز در میزان پلاتین مورد استفاده در آنهاست. محدودۀ عملکرد دمایی آنها بین 50- تا 1750+ درجه سانتیگراد بوده و دارای قیمت بالا و حساسیت کمتر است. از این نوع ترموکوپل ها در صنایع شیشه و فولاد استفاده می گردد.
