فصل اول - بررسی 11 ابزار دقیق در زمینه کنترل دما

در این قسمت روش های اندازه گیری دما را با یکدیگر بررسی می کنیم. روش های اندازه گیری دما را می توان بطور کلی به سه روش مکانیکی، الکتریکی و روش های متفرقه تقسیم بندی کرد.

روش های مکانیکی که به بررسی آن ها می پردازیم عبارتند از:

و روش های الکتریکی عبارتند از:

1. دماسنج های شیشه ای

اساس کار این دماسنج بر کاهش یا افزایش حجم یک مایع در اثر تغییرات دما استوار است. مایع مورد استفاده در این تجهیزات معمولا الکل یا جیوه است. به همین دلیل گاهی این دماسنج ها را دماسنج های الکلی یا جیوه ای نیز می نامند.

دماسنج شیشه ای
اندازه گیری دما

1.1. کاربرد دماسنج های شیشه ای چیست؟

تجهیزات آزمایشگاهی و کاربردهای صنعتی که نیاز به مشاهده محلی مقدار دما باشد. در صورت استفاده از این تجهیزات در کاربردهای صنعتی، لوله شیشه ای دماسنج در یک قاب محافظ قرار می گیرد.

2.1. خطای دماسنج های شیشه ای

خطای اندازه گیری این تجهیز به قطر لوله شیشه ای بستگی دارد. هرچه قطر این شیشه کمتر، خطای اندازه گیری کمتر است.

2. دماسنج های بی متال

اساس کار این دماسنج بر کاهش یا افزایش طول یک فلز در اثر تغییرات دما استوار است. دو فلز با ضرایب انبساط طولی متفاوت به هم متصل می شوند. با افزایش دما، نوار متشکل از دو فلز به یک سمت انحنا پیدا می کند. از انحنای حاصله می توان برای وصل یا قطع یک مدار استفاده کرد. بسیاری از ترموستات های اتاقی که برای کنترل فن کویل ها مورد استفاده قرار می گیرند، بر این اساس عمل می کنند. در صورتی که از این روش برای اندازه گیری دما استفاده شود، دو فلز بصورت کویل در می آیند تا تغییر مکان انتهای آزاد قابل ملاحظه شود.

دماسنج بی متال با کویل اسپیرال
اساس کار دماسنج بی متال
دماسنج بی متال با کویل هلیکال

3. دماسنج های پر شده با سیال

مرسوم ترین نوع این تجهیز، دماسنج های پر شده با گاز است. اساس کار این دماسنج ها بر کاهش یا افزایش فشار یک گاز در حجم ثابت در اثر تغییرات دما استوار است.

دماسنج بی متال پر شده با سیال

4. دماسنج مقاومتی (Resistance Temperature Detectors - RTD)

این دماسنج جزو دسته بندی دماسنج های الکتریکی است. اساس کار این تجهیزات بر تغییر مقاومت الکتریکی یک فلز با تغییرات دما استوار است. مرسوم ترین فلز مورد استفاده در صنعت، پلاتین است که در محدوده وسیعی دارای رفتار خطی است. دماسنج های مقاومتی که از آلیاژ پلاتین ساخته شده اند، معمولا تحت عنوان Pt100 یا Pt1000 شناخته می شوند. حروف Pt مشخص کننده پلاتین و اعداد 100 و 1000 مقاومت سنسور بر حسب واحد اهم در صفر درجه سانتی گراد است.

مقاومت این سنسورها در 100 درجه سانتی گراد به ترتیب 138.5 و 1385 اهم هستند. به این ترتیب با توجه به دو عدد فوق و رفتار خطی بین این دو نقطه می توان با اندازه گیری مقاومت سنسور، دمای آن را بدست آورد. بیایید با یکدیگر به بررسی یک مثال بپردازیم. اگر مقاومت یک سنسور Pt100، 130 اهم باشد، باتوجه به اینکه مقاومت آن در 100 درجه سانتی گراد 138.5 اهم می باشد، با یک نسبت گیری ساده می توان به دمای آن که میزان 77.92 درجه سانتی گراد میباشد، دست یافت.

دماسنج مقاومتی

برای اندازه گیری تغییر مقاومت سنسورهای مقاومتی می توان از یک مدار پل وتستون استفاده کرد. یکی از نکات مهم در اندازه گیری دما توسط سنسورهای مقاومتی اثر تغییرات دمای مسیر است. از آنجا که سیم های رابط بین سنسور و مدار پل وتستون خود دارای مقاومت داخلی هستند و با مقاومت سنسور به صورت سری بسته شده اند، پس تغییر دمای مسیر می تواند باعث ایجاد خطا در اندازه گیری دما شود. برای حل این مشکل یکی از روش های مرسوم سه سیمه یا چهار سیمه کردن سنسور است. بدین ترتیب تغییر دمای مسیر تاثیری بر قرائت سنسور نخواهد داشت.

5. ترموکوپل چیست؟

این دماسنج جزو دسته بندی دماسنج های الکتریکی است. اگر دو فلز A و B مطابق شکل زیر به هم متصل شوند و دمای یکی از محل های اتصال با دیگری متفاوت باشد، این اختلاف به ایجاد یک جریان در مدار منجر خواهد شد. اختلاف پتانسیل ایجاد شده برای زوج مشخص از دو فلز تابع اختلاف دمای دو نقطه اتصال 1 و 2 خواهد بود. (80) بنابراین با اندازه گیری اختلاف پتانسیل ایجاد شده می توان اختلاف دمای اتصال گرم و اتصال سرد ار بدست آورد. به مشخص بودن دمای اتصال سرد، می توان دمای اتصال گرم را تعیین کرد.

در جدول زیر زوج های مختلف مورد استفاده در صنعت که به تایپ (Type) مرسومند، نشان داده شده است.

جدول محدوده کاربرد انواع ترموکوپل

برخلاف سنسورهای مقاومتی، دمای مسیر تاثیری بر اندازه گیری دما توسط ترموکوپل ندارد، ولی اختلاف دمای محل های اتصال می تواند باعث ایجاد خطا شود.

6. ترمیستور چیست؟

اساس کار ترمیستورها از نقطه نظر تغییرات مقاومت الکتریکی با دما مشابه سنسورهای مقاومتی است، ولی سه تفاوت عمده بین ترمیستور و سنسورهای مقاومتی وجود دارد.

اولین تفاوت در جنس سنسور است. با آنکه سنسورهای مقاومتی معمولا از جنس فلز هستند، ترمیستورهای از نیمه هادی ساخته می شوند.

دومین تفاوت در نحوه تغییرات مقاومت با تغییر دما است. با آنکه مقاومت همه سنسورهای مقاومتی با افزایش دما زیاد می شود، مقاومت اغلب ترمیستورها با افزایش دما کاهش می یابد (ضریب دمای منفی دارند). البته ترمیستورهای با ضریب دمای مثبت نیز وجود دارند که به همین نام مرسومند.

در نهایت سومین تفاوت ترمیستور با سنسور مقاومتی آن است که تغییرات مقاومت با دما در سنسورهای مقاومتی خطی است، ولی تغییرات مقاومت ترمیستور با تغییر دما به شدت غیر خطی است.

مقایسه خروجی ترمیستور، ترموکوپل و ترمومتر

7. ترانزیستورهای مدار مجتمع و دیودها در ابزار دقیق

خروجی ترانزیستورهای مدار مجتمع متناسب با دمای مطلق آنها و بصورت خطی است. این سنسورها با خروجی ولتاژ یا جریان قابل تهیه هستند. به دلیل خطی بودن خروجی این سنسورها در محدوده دمای 50- تا 150 درجه سانتی گراد، سنسورهای مدار مجتمع یکی از بهترین انتخاب ها برای اندازه گیری دما در محدوده فوق هستند.

چندین نمونه ترانزیستور

1.7. مزایا و معایب ترانزیستورها چیست؟

از جمله مزایای دیگر این سنسورها قیمت پایین آن هاست. معایب این سنسورها نیاز آن ها به تغذیه ورودی و همچنین خطای اندازه گیری بیشتر نسبت به سنسورهای مقاومتی است.

2.7. دیود چیست؟

یک قطعه الکترونیکی دو ترمیناله است که تنها در یک جهت به جریان الکتریسیته اجازه عبور می دهد. از دیودهای سیلیکونی و ژرمانیوم می توان برای اندازه گیری دما در محدوده 200 تا 270 درجه سانتی گراد استفاده کرد. سیگنال خروجی این سنسورها معمولا در محدوده چند ده میکرو آمپر است. این سنسورها در محدوده دماهای کم دارای رفتار خطی مناسبی هستند.

8. ترمومتر مادون قرمز چیست؟

اساس کار ترمومتر مادون قرمز  بر اندازه گیری تشعشع ساطع شده از یک جسم قرار دارد. میزان تشعشع مادون قرمز ساطع شده از هر جسم به دمای آن بستگی دارد. در سنسورهای مادون قرمز این تشعشع به یک سیگنال متناسب تبدیل می شود که با اندازه گیری آن می توان دمای جسم را بدون تماس مستقیم با آن بدست آورد.

به دلیل عدم نیاز به تماس مستقیم با جسمی که قصد اندازه گیری دمای آن را داریم، این روش در موارد متفاوت از جمله اندازه گیری دمای اجسام متحرک مانند تسمه نقاله ها، اتصالات الکتریکی، کوره ها یا اجسام مشابه در حال دوران، لوله های داغ حاوی بخار یا سیال داغ دیگر (که دور از دسترس قرار دارند)، تله های بخار، اندازه گیری دمای مواد مذاب و موارد مختلف دیگر کاربرد دارد.

ترمومتر مادون قرمز

9. ترانسمیتر دما چیست؟

ترانسمیتر دما وسیله ای است که مقدار دمای اندازه گیری شده را به یک کمیت استاندارد قابل انتقال تبدیل می کند. همانطور که قبلا نیز با یکدیگر بررسی کردیم، مرسوم ترین سیگنال الکتریکی آنالوگ سیگنال جریان با محدوده 4 تا 20 میلی آمپر است. از نظر نوع نصب، ترانسمیترها می توانند در داخل محفظه بالای سنسور قرار گیرند که به نوع head mounted (تصویر سمت راست) مرسومند. 

نوع دیگر سنسورها که به rail mounted (تصویر سمت چپ) مرسوم هستند می توانند در داخل تابلو و روی ریل ها نصب شوند. همانطور که در فصل قبل (ابتدای مقاله یا مقاله قبلی) توضیح دادیم، در صورت استفاده از ترانسمیتر HART مزایای زیادی برای کاربر بوجود می آید.

ترانسمیتر دما از نوع head mount
ترانسمیتر دما از نوع rail mount

10. سوئیچ دما چیست؟

سوئیچ های دما یا ترموستات ها می توانند از روش های مختلفی که در بخش های قبل با یکدیگر بررسی کردیم، استفاده کنند. برای مثال از سیستم های مبتنی بر بی متال که در بخش 2 به آن پرداختیم، در بسیاری از ترموستات های سیستم های تاسیساتی ساختمانی مانند شکل سمت راست استفاده می شود. در بسیاری از سیستم های حفاظت موتورهای الکتریکی در مقابل اضافه بار (Overload) نیز از سوئیچ های مبتنی بر بی متال استفاده می شود. از دماسنج های پرشده با سیال نیز در ترموستات های صنعتی  و ترموستات های یخچال و مانند آن استفاده می شود.

ترموستات عقربه ای
ترموستات دیجیتالی

نحوه عملکرد ترموستات های بی متال را در کل زیر مشاهده می کنید.

نحوه عملکرد ترموستات بی متال

در ترمومترهای الکتریکی مانند ترمومتر مقاومتی، ترموکوپل، ترمیستور و ترانزیستورها، نشان دهنده های دیجیتال مورد استفاده معمولا امکان تنظیم یک یا تعداد بیشتری آلارم یا سوئیچ را فراهم می آورند. همچنین سوئیچ های دما می توانند فاقد نشان دهنده باشند و تنها پس از رسیدن دما به میزان تنظیم شده، سوئیچی را تحریک کنند. در شکل زیر (سمت راست) یک نمونه ترموستات با لوله موئین و بالب با اختلاف ثابت و در شکل سمت چپ ترموستات با لوله موئین و بالب با قابلیت تنظیم اختلاف فشار را ملاحظه می کنید.

ترموستات با لوله موئین و بالب با اختلاف ثابت
ترموستات با لوله موئین و بالب با قابلیت تنظیم اختلاف فشار

11. کنترلر دما چیست؟

اصول کلی عملکرد کنترلرها را در قسمت پنجم فصل قبل با یکدیگر بررسی کردیم. از کنترلرهای دما می توان برای سنسورهای دمای مختلف و یا به عنوان یک کنترلر عام برای سایر کاربردها استفاده کرد. معمولا از این تجهیزات میتوان به عنوان یک کنترل قطع و وصل و هم به عنوان کنترل تدریجی استفاده کرد همچنین مدهای مختلف کنترل نیز از طریق این دستگاه قابل تنظیم است. البته توصیه می شود که در سیستم هایی که بار بطور دائم تغییر می کند، از کنترلرهای با تنظیم خودکار (Autotune) استفاده کنید.

پنل نشان دهنده دیجیتال
واحد آلارم با ورودی pt100

کالیبراتورهای دما

روش های مختلفی برای کالیبراسیون دماسنج ها وجود دارد. نمونه هایی از آن ها عبارتند از:

کالیبراتور دما از نوع بلوک خشک (dry block)
کالیبراتور دما از نوع حمام آب (stirred water calibration bath)
کالیبراتور ترموکوپل

غلاف دماسنج (ترموول-Thermowell)

غلاف ترمومتر به منظور حفاظت سنسور در مقابل اثرات فیزیکی و شیمیایی سیال استفاده می شود. همچنین این غلاف نباید به خطای قابل ملاحظه ای در اندازه گیری منجر شود.

ترموول
انواع غلاف ترمومتر
5 1 رای
به این مقاله امتیاز دهید.
اشتراک در
اطلاع از
guest

این سایت از اکیسمت برای کاهش هرزنامه استفاده می کند. بیاموزید که چگونه اطلاعات دیدگاه های شما پردازش می‌شوند.

0 نظرات
بازخورد (Feedback) های اینلاین
View all comments

فرصتی استثنائی برای اولین بار در ایران!

برای کسب اطلاعات بیشتر، صفحه پاراکس را در اینستاگرام دنبال کنید.

0
افکار شما را دوست دارم، لطفا نظر دهیدx
()
x
باز کردن واتساپ
1
سلام
جهت اعلام درخواست خود
در واتساپ به ما پیام دهید