سنسور های اندازه گیری دما

سنسورهای-اندازه-گیری-دما

سنسور های اندازه گیری دما وسایلی هستند که وظیفه آنها تبدیل دما به یک کمیت فیزیکی قابل سنجش می باشد.از آنجا که امروزه وسایل سنجش عمدتا از نوع الکترونیکی هستند (نظیر انواع ترموکنترلرهای دما)، لذا در این مبحث توجه خود را به سنسورهایی که قادر به تبدیل دما به ولتاژ یا نظیر مقاومت الکتریکی هستند معطوف می داریم.

در سنسور های اندازه گیری دما هر تجهیز اندازه گیری از سه قسمت عنصر اولیه، مبدل و انتقال دهنده تشکیل می شود، این قسمت ها بسته به اینکه تجهیز کدامیک از متغیرهای چهارگانه را اندازه گیری می نماید متفاوت می باشند. این سه قسمت در تجهیزات اندازه گیری دما عبارتند از:

1. عنصر اولیه : این قسمت همان سنسور می باشد که، تحت تأثیر دما برخی مشخصه های فیزیکی یا مکانیکی آن تغییر می کند. سنسور با عنوان “TE شناخته می شود. در صنعت از سنسورهای مختلفی برای اندازه گیری دما استفاده می شود، که هر یک به روشی دما را اندازه گیری می کنند. چهار روش کلی که برای اندازه گیری دما به کار گرفته می شوند عبارتند از :

اندازه گیری تغییر مشخصات فیزیکی اجسام در اثر افزایش و یا کاهش دما، به عنوان مثال می توان انبساط فلزات در اثر گرما در سنسورهای دو فلزی یا بیمتال و یا افزایش حجم جیوه، در دماسنج های طبی را نام برد.

  • اندازه گیری تغییر مقاومت الکتریکی فلزات در اثر گرما، مانند دماسنج های مقاومتی
  • اندازه گیری تغییر ولتاژ الکتریکی در دو فلز غیر مشابه در اثر تغییر دما، مانند ترموکوپلها.
  • اندازه گیری تغییرات انرژی تابشی در اثر گرما، مانند سنسورهای تشعشعی و نوری.

2. مبدل : این بخش تغییرات ایجاد شده در سنسور را به یک کمیت مکانیکی یا الکتریکی قابل اندازه گیری تبدیل می کند.

3. انتقال دهنده: این بخش کمیت تولید شده در مبدل را به یک سیگنال الکتریکی یا پنوماتیکی متناسب با سیستم کنترل تبدیل و ارسال می نماید. در نمایشگرهای محلی دما سیگنالی تولید نمی شود، و تغییرات دما به عقربه ای که بر روی یک صفحه مدرج حرکت می کند منتقل می شوند.

دما معمولا بر حسب درجه فارنهایت و یا درجه سانتیگراد بیان می شود.علاوه بر سه قسمت فوق که برای یک تجهیز اندازه گیری دما نام برده شد.

 دماسنج های انبساطی

یکی از قدیمی ترین روش های اندازه گیری دما، سنجش میزان انبساط و انقباض کمیت های فیزیکی اجسام از قبیل طول، سطح و حجم در اثر گرما می باشد. دماسنج های جیوه ای نمونه ای از تجهیزات اندازه گیری دما هستند که از این روش استفاده می کنند. این دماسنج ها شامل یک لوله شیشه ای درجه بندی شده اند ، که جیوه یا الکل درون آن ریخته شده است . تغییرات دما منجر به انبساط جیوه و جابه جایی آن ، در لوله می شود (شکل پایین) . این نوع دماسنج ها معمولا خروجی الکتریکی ندارند، اما می توان با بستن یک سیم پیچ به دور لوله دماسنج جیوه ای، ضریب خودالقایی سیم پیچ را محاسبه کرد.

نکته:  در سنسور های اندازه گیری دما تغییرات ضریب خودالقایی سیم پیچ را می توان به کمک مدارات الکترونیکی به یک سیگنال الکتریکی متناسب با سیستم کنترل تبدیل کرد.

نمونه ای از دماسنج های جیوه ای
نمونه ای از دماسنج های جیوه ای

شکننده بودن محفظه شیشه ای و سمی بودن جیوه، استفاده از این نوع دماسنج ها را، در صنعت محدود کرده است. اما نمونه ای از سنسورهای صنعتی، بر اساس نحوه عملکرد این دماسنج ها ساخته می شوند . ساختار این سنسورها در شکل بالا نشان داده شده است . این دماسنج ها، شامل حبابی هستند که با یک مایع یا گاز خنثی (معمولا نیتروژن) پر شده است، سیال درون حباب از طریق لوله های باریکی به نام لوله موئین”، به یک تیوب ارتجاعی که انتهای آن بسته شده است، مرتبط می شود.

یک عقربه نشانگر نیز به انتهای لوله بردن تیوب متصل است. حباب در محلی که اندازه گیری دمای آن مد نظر است قرار داده می شود. گرما سیال درون حباب را منبسط کرده و آن را به درون تیوب هدایت می کند؛ این انبساط منجر به افزایش فشار سیال و تغییر شعاع لوله بردن تیوب می شود. تغییر شعاع لوله، که با تغییرات دمایی متناسب است، به وسیله عقربه ای که به انتهای آن متصل شده است، بر روی صفحه درجه بندی شده، نشان داده می شود.

 

نمونه ای از دماسنج های صنعتی جیوه ای
نمونه ای از دماسنج های صنعتی جیوه ای

 

شکل بالا یک نمونه صنعتی دماسنج جیوه ای این نوع اندازه گیری دما معمولا در نمایشگرهای محلی و در شیرهای خود کنترل گرمایی به کار می رود. جهت افزایش محدوده اندازه گیری دما در این نوع سنسورها، لوله بردن را به شکل مارپیچ یا حلزونی می سازند. در برخی دماسنج ها به جای بردن تیوب، از فانوسی و یا دیافراگم نیز استفاده می شود. این دماسنج ها ساختار ساده ای دارند و بدون نیاز به تغذیه الکتریکی دمای سیال را اندازه گیری می کنند، و در شرایطی که محدوده تغییرات دما کوچک باشد، دقت قابل قبولی دارند. جهت افزایش دقت اندازه گیری، حباب باید به طور کامل درون محل اندازه گیری فرو برده شود. با توجه به اینکه دماسنج هنگام اندازه گیری دما با سیال در تماس می باشد، کلیه قسمت های آن، و به ویژه حباب، باید کاملا مطابق با شرایط فرآیندی (فشار، دما در برابر خوردگی مقاوم باشند، و به راحتی آسیب نبینند. در ضمن، هنگام انتخاب سیال درون حباب توجه به این نکته که سیال از نظر شیمیایی بی اثر باشد، ضروری است تا موجب خوردگی حباب و لوله ها نگردد؛ و در صورت آسیب دیدن حباب، ترکیب آن با سیال فرآیندی خطری نداشته باشد.
دماسنج باید به نحوی نصب شود که در معرض ضربه و آسیب نباشد. به دلیل تماس لوله های موئین با هوای آزاد، تأثیر دمای محیط بر این نوع دماسنج ها زیاد است، و چنانچه تغییرات دمای محیط زیاد باشد باید این تغییرات اندازه گیری و جبران شوند. مقدار سیال درون حباب ثابت است و در طول اندازه گیری دما نیز نباید تغییری داشته باشد، لذا جهت حفظ دقت اندازه گیری و جلوگیری از نشتی احتمالی، میزان سیال درون حباب باید پیوسته مورد بازرسی قرار گیرد.
از معایب این دماسنج ها کند بودن زمان پاسخ به تغییرات دمایی سیال، و قیمت بالای آنها می باشد. ساختمان این دماسنج به گونه ای است، که احتمال آسیب دیدن حباب آن زیاد است، و در صورت آسیب دیدن حباب، باید کل مجموعه دماسنج، که قیمت بالایی دارد، تعویض شود.

بیمتال ها نوع دیگری از سنسورهای دمایی هستند، که بر اساس انبساط کار می کنند. این سنسورها در نمایشگرهای محلی دما به کار گرفته می شوند، شکل پایین  یک نمونه از این سنسورها را نشان می دهد. سنسورهای بیمتال به صورت فنری و از دو فلز با ضریب انبساط گرمایی متفاوت ساخته می شوند؛ این فلزها، معمولا از آلیاژهای آهن و نیکل هستند. یک طرف فنر به محلی محکم بسته و ثابت می شود، سر دیگر آن که آزاد است به عقربه دستگاه متصل می شود. ضریب انبساط متفاوت فلزها کمک می کند، که طول دو فلز در اثر گرما به یک میزان افزایش نیابد. این مساله موجب چرخش فنر و انتقال آن به عقربه نمایشگر می شود. تغییرات طول فنر را می توان مستقیما به عنوان دمای اندازه گیری شده بر روی صفحه نمایشگر درجه بندی کرد. جهت درجه بندی نمایش دهنده دما، لازم است که سنسور را در یک دمای معین قرار داده، و نمایشگر تنظیم شود. در عمل برای افزایش تغییرات طول سنسور و محدوده دمای اندازه گیری، بی متال ها را بصورت حلزونی یا مارپیچ می سازند.
نصب نشان دهنده های دما ساده است و تنها باید به این موضوع توجه داشت که نمایشگر به نحوی نصب شود که در زمان تعمیر و یا تعویض آن نیازی به توقف فرآیند نباشد. بدین منظور از یک غلاف استفاده می شود، غلاف بر روی بدنه تجهیزی که اندازه گیری دمای سیال درون آن مدنظر می باشد (مانند مخازن، خطوط لوله، توربین ها و …) بسته یا جوش داده می شود. بخش سنسور نشان دهنده دما، که بصورت یک میله استوانه ای ساخته می شود و به آن ساقه گفته می شود، درون غلاف قرار داده می شود. بدین ترتیب علاوه بر اینکه امکان تعویض سنسور در زمان بهره برداری وجود دارد، سنسور نیز از تماس مستقیم با سیال و خوردگی در امان می ماند. غلاف ها انواع مختلفی دارند که در انتهای این مقاله، آنها را معرفی خواهیم کرد. شکل پایین دو نمونه نشان دهنده دما به همراه یک غلاف را نشان می دهد.

 

الف دو نمونه نشان دهنده دما ب یک عدد غلاف
الف دو نمونه نشان دهنده دما ب یک عدد غلاف

 

نمایشگرهای دما نباید در محلی که لرزش زیاد است نصب شوند، زیرا لرزش های شدید و مداوم، کالیبراسیون نشان دهنده را بر هم می زنند؛ و دمای اندازه گیری شده واقعی نخواهد بود. چنانچه ناگزیر از نصب نشان دهنده دما در چنین شرایطی باشیم، باید محفظه نمایشگر را با مایعی پر کرده، تا از انتقال این لرزش ها به بیمتال و عقربه جلوگیری شود. این مایع باید با شرایط فرآیندی مطابقت داشته باشد، تا در صورت وقوع نشتی احتمالی، ترکیب آن با سیال خطری ایجاد نکند.

سنسورهای بی متال ارزان، ساده، محکم و بادوام هستند؛ و بیشتر در نمایشگرهای محلی دما به کار می روند.  درسنسور های اندازه گیری دما برخی از سوییچ های دما نیز با این فناوری کار می کنند. با این تفاوت که نمایشگر با یک سوییچ کوچک جایگزین می شود. نوعی از این سنسورها در سیستم های کنترلی، جهت قطع و وصل (آبگرمکن های برقی و سیستم های حفاظتی و هشدار دهنده نیز به کار گرفته می شوند. نبود قطعات متحرک در ساختمان این سنسور تعمیرات آن را به شدت کاهش داده و موجب افزایش طول عمر آن شده است. این سنسورها کمترین قیمت را در بین سنسورهای اندازه گیری دما دارند، اما دقت آنها کم است و به منظور ارسال سیگنال الکتریکی به سیستم کنترل به کار نمی روند.

 سنسورهای مقاومتی دما 

مقاومت الکتریکی فلزات خالص در اثر تغییر دما، افزایش و یا کاهش می یابد، می توان به کمک مدارهای الکترونیکی، مانند پل وتستون میزان این تغییرات را اندازه گیری کرد. این نوع سنسورها به RTD معروف می باشند. ساختمان داخلی یک سنسور RTD در شکل پایین نشان داده شده است.
جهت محافظت از سنسور، و جلوگیری از تماس آن با سیال و محیط بیرون، آن را درون یک پوشش استوانه ای فلزی معمولا از جنس فولاد ضد زنگ، قرار می دهند. سنسور به دقت درون این پوشش جاسازی می شود تا انتقال دمایی به خوبی و با سرعت انجام شود. با توجه به اینکه هوا هادی خوبی برای گرما نمی باشد معمولا از پودر سرامیک برای پر کردن فضای خالی استفاده می شود تا انتقال حرارت سریع تر صورت گیرد. برای آشکار سازی تغییرات مقاومت الکتریکی می بایست اندازه مقاومت نسبتا بزرگ باشد، و مقاومت الکتریکی فلزات کم است، لذا سنسور به صورت سیم پیچ ساخته می شود تا طول آن افزایش یافته و مقاومت بزرگی داشته باشد. سیم های سنسور به منظور اتصال به مبدل و ترانسمیتر از درون پوشش بیرون آمده و در دسترس قرار می گیرند. معمولا یک فنر در قسمت انتهایی سنسور تعبیه می شود (شکل پایین)، میله سنسور به کمک نیروی فنر به خوبی با انتهای غلاف تماس پیدا می کند. در این حالت به جای اندازه گیری دمای هوای درون غلاف، دمای واقعی سیال اندازه گیری می شود و سرعت اندازه گیری دما نیز افزایش می یابد.

 

ساختار داخلی RTD
ساختار داخلی RTD

 

فلزات مختلفی در ساخت RTD ها به کار گرفته می شوند، پرکاربردترین فلز، پلاتین خالص می باشد، که مقاومت آن با دما، تقریبا بصورت خطی تغییر می کند. مقاومت پلاتین در دمای صفر درجه سانتیگراد، ۱۰۰ اهم است، و با توجه به این که بیشتر سنسورهای RTD، از پلاتین ساخته می شوند، از این رو سنسورهای مقاومتی، با نام ۱۰۰PT نیز شناخته می شوند. نیکل بعد از پلاتین و در جایگاه دوم قرار دارد. نمودار تغییر مقاومت الکتریکی، فلزات مختلف با تغییر دما در شکل پایین نشان داده شده است.مقدار تغییر مقاومت به ازای تغییر ۱°C را ضریب مقاومت حراراتی نامیده می شود . این عامل نشان دهنده، میزان دقت سنسور می باشد.

 

نمودار تغییرات مقاومت الکتریکی فلزات با دما
نمودار تغییرات مقاومت الکتریکی فلزات با دما

 

 

محدوده تغییرات مقاومت الکتریکی فلزات مختلف
محدوده تغییرات مقاومت الکتریکی فلزات مختلف

 

در سنسور های اندازه گیری دما RTD از پل وتستون به عنوان مبدل تغییرات مقاومت الکتریکی به ولتاژ استفاده می شود. شکل بالا ساختار پل وتستونی را که یک مقاومت RTD در یکی از شاخه های آن قرار گرفته است، نشان می دهد. هنگامی که پل در حالت تعادل قرار دارد مقدار ولتاژ V تغییری نخواهد داشت، با تغییر مقاومت سنسور RTD، در اثر تغییر دما، با توجه به اینکه مقاومت های دیگر بدون تغییر هستند، ولتاژ V تغیییر خواهد کرد. با اندازه گیری تغییرات ولتاژ، می توان میزان تغییرات دما را اندازه گیری کرد.

 

ساختار یک پل وتستون به همراه سنسورRTD
ساختار یک پل وتستون به همراه سنسورRTD

 

همانطور که در شکل بالا مشاهده می کنید، مقاومت سیم هایی که جهت اتصال سنسور RTD به مبدل به کار می روند، نیز بر میزان جریان و ولتاژ مدار تأثیرگذار هستند که در محاسبات در نظر گرفته نمی شوند. با توجه به اینکه سنسور در انتهای میله قرار دارد، و طول سیم هایی که سنسور RTD را به مدار متصل می کنند، زیاد است، خطای اندازه گیری در این حالت افزایش می یابد. جهت کاهش خطای اندازه گیری، سنسورهای RTD به صورت سه سیمه و یا چهار سیمه، ساخته می شوند. ساختار داخلی این سنسورها در شکل پایین نشان داده شده است.

در سنسورهای سه سیمه، از دو سیم برای ارسال جریان استفاده می شود و ولتاژ دو سر مقاومت بوسیله سیم سوم و یکی از دو سیم اصلی اندازه گیری می شود. در این حالت تأثیر مقاومت یکی از سیم های رابط از بین می رود. این مساله بر دقت اندازه گیری می افزاید. در این حالت هر چند که یک سیم اضافه تر در میله سنسور قرار داده می شود، اما دقت اندازه گیری افزایش قابل توجهی می یابد.

نکته:چنانچه نیاز به دقت بالاتری داشته باشیم می توانیم از سنسورهای چهار سیمه استفاده کنیم. در سنسورهای چهار سیمه اثر سیم های ارتباطی به طور کامل حذف می شود. در این حالت از دو سیم برای ارسال جریان استفاده می شود، و تغییرات ولتاژ دو سر مقاومت توسط دو سیم دیگر مستقیما اندازه گیری می شود، و دیگر جریانی در این سیم ها وجود نخواهد داشت، تا مقاومت آنها بر اندازه گیری دما تأثیر منفی بگذارد.

 

نحوه عملکرد سنسورهای RTDسه و چهار سیمه
نحوه عملکرد سنسورهای RTDسه و چهار سیمه

 

سنسورهای RTD سه و چهار سیمه سنسور RTD در بین سنسورهای دمایی که در محدوده میانی کار می کنند، پایدارترین و دقیق ترین سنسور می باشد. و از نظر تئوری قادر به اندازه گیری تغییرات دمایی در حدود۰ / ۰۰۰۰۱°C می باشد. این سنسورها در شرایطی که محدوده تغییرات دما کوچک بوده و دقت بالا نیاز باشد، بهترین گزینه هستند. هر چه محدوده تماس سنسور باسیال بیشتر باشد دقت اندازه گیری افزایش می یابد. لذا همانطور که گفته شد یک فنر در قسمت انتهای سنسور تعبیه می شود تا هنگامی که سنسور به همراه غلاف نصب می شود، با بدنه آن در تماس باشد و دمای سیال را با دقت و سرعت بیشتری اندازه گیری نماید. شکل بالا یک نمونه ترانسمیتر دما ساخت شرکت ABB و نحوه اتصال سنسورهای RTD ، دو سیمه، سه سیمه و چهار سیمه به آن را نشان می دهد..

 

"<yoastmark

 

مهم ترین مشکل سنسورهای RTD تولید گرما در مجموعه سنسور و سیم های ارتباطی آن می باشد، ولتاژ دو سر مقاومت RTD با ارسال جریان الکتریکی اندازه گیری می شود، جریان عبوری از سیم ها تولید گرما می کند. این گرمای تولیدی به عنوان یک مقدار مثبت به دمای اندازه گیری شده افزوده می شود. و خطای اندازه گیری را افزایش می دهد. هر چه اندازه این جریان کمتر باشد تأثیر گرمای تولیدی سیم ها نیز کمتر خواهد بود.

نوع دیگری از سنسورهای مقاومتی نیز وجود دارند، که بر اساس فناوری نیمه هادی ساخته می شوند. این سنسورها در دو مدل ارایه می شوند؛ سنسورهای با ضریب حرارتی مثبت، در این مدل مقاومت الکتریکی با افزایش دما افزایش و با کاهش آن کاهش می یابد. و سنسورهای با ضریب حرارتی منفی، در این مدل مقاومت الکتریکی با افزایش دما کاهش و با کاهش آن افزایش می یابد. ترمیستورها معروف ترین نوع این سنسورها هستند، که با ضریب حرارتی منفی ساخته می شوند. ترمیستورها در بدنه موتورهای الکتریکی بزرگ و جهت حفاظت از سیم پیچ موتور در برابر افزایش دما به کار گرفته می شوند. ترمیستورهای امروزی قادر به اندازه گیری دماهای پایین حدود ۱۰۰°C تا دماهای بالا در حدود ۵۰۰°C می باشند.

ترموکوپلها

ترموکوپلها بر اساس پدیده ترموالکتریک کار می کنند. این اثر را توماس سیبک” در سال ۱۸۲۱ کشف کرد. ترموکوپل از دو فلز غیر هم نام که به یکدیگر متصل شده اند ساخته می شود.( شکل پایین) اگر نقطه اتصال دو فلز تحت تأثیر گرما قرار گیرد، یک ولتاژ الکتریکی ( eAB) در دو سر آزاد آنها تولید می شود که ولتاژ سیبک گفته می شود. این ولتاژ اندازه کوچکی در حد میلی ولت داشته و متناسب با دمای نقطه اتصال می باشد. ترموکوپلها با بهره گیری از این خاصیت ساخته می شوند، و متداول ترین سنسورهای دما در صنعت هستند. ترموکوپل ها در مدارک ابزاردقیق به اختصار بصورت T / C نشان داده می شوند.

 

 

سنسور های ترموکوپل و پدیده ترموالکتریک
سنسور های ترموکوپل و پدیده ترموالکتریک

 

از نظر تئوری درسنسور های اندازه گیری دما هر دو فلز غیر همنام می توانند در نقش ترموکوپل عمل کنند. با انتخاب فلزات متفاوت، ترموکوپل های متنوعی از نظر میزان تحمل درجه حرارت ساخته می شوند. معروف ترین و پر کاربردترین ترموکوپل ها عبارتند از ترموکوپلهای نوع J, K , T , R /S .

 

جدول فلزات تشکیل دهنده ترموکوپل و محدوده دمایی آن ها
جدول فلزات تشکیل دهنده ترموکوپل و محدوده دمایی آن ها

 

برای هر مدلی از ترموکوپل ها جدولی ارایه می شود، که نشان دهنده میزان ولتاژ تولید شده در دو سر ترموکوپل در دماهای مختلف می باشد. به کمک این جداول می توان ولتاژ اندازه گیری شده در انتهای ترموکوپل را، به دما تبدیل کرد. البته این جداول استاندارد بوده و سازنده گان ترموکوپل موظف هستند، ترموکوپل های خود را با توجه به این جداول عرضه نمایند. یکی از این استانداردهایISA – MC96 – 1 می باشد. شکل پایین جدولی که برای ترموکوپل نوع K در این استاندارد ارایه شده است را نشان میدهد.

برای سنسور های اندازه گیری دما ولتاژ تولید شده در ترموکوپل ها نمی توان، ولت متر را مستقیما به دو سر ترموکوپل متصل کرد. اگر همانطور که در شکل پایین نشان داده شده است، یک ترموکوپل نوع T به ولت متر وصل شود، ولتاژ واقعی متأثر از حرارت اعمال شده در نقطه اتصال ، ولتاژV است، تمایل وجود دارد که تنها این ولتاژ اندازه گیری شود. اما به دلیل وجود فلزهای متفاوت در محل اتصال سیم های ترموکوپل به ولت متر، (در نقطه اتصال J2) یک ترموکوپل جدید ایجاد می شود، که ولتاژ V2 را تولید می نماید؛ این ولتاژ به طور ناخواسته با ولتاژ V سری شده، و در اندازه گیری ها وارد می شود. این مساله اندازه گیری را با خطا مواجه می کند. در ضمن با توجه به اینکه در نقطه اتصال J هر دو فلز یکسان هستند، مقدار ۷ برابر با صفر خواهد بود

 

اندازه گیری ولتاژ ترموکوپل به وسیله ولت متر
اندازه گیری ولتاژ ترموکوپل به وسیله ولت متر

 

جدول ارتباط ولتاژ با درجه حرارت در ترموکوپل نوع Kکه از استاندارد ISAاخذ شده است
جدول ارتباط ولتاژ با درجه حرارت در ترموکوپل نوع Kکه از استاندارد ISAاخذ شده است

 

برای تعیین ولتاژ واقعی باید اندازه ولتاژ مشخص گردد.چنانچه دمای اتصال مشخص باشد می توان مقدار را از جدول مربوطه  به دست آورد.یک راه حل این است که نقطه اتصال .J به بیرون از ولت متر منتقل شده و ثابت نگاه داشته شود. شکل بالا این وضعیت را نشان می دهد. نقطه اتصال دل معمولا در محفظه ای از یخ (در دمای صفر درجه سانتیگراد قرار داده می شود. اندازه ولتاژ V از روی جداول مربوطه برای ترموکوپل نوع T در دمای صفر درجه سانتیگراد بدست می آید. حال می توان ولتاژ اندازه گیری شده توسط ولت متر را از ولتاژ V کم کرده و ولتاژ V را محاسبه نمود.

 

نحوه اندازه گیری ولتاژ ترموکوپل ها به وسیله ولت متر
نحوه اندازه گیری ولتاژ ترموکوپل ها به وسیله ولت متر

 

چنانچه ترموکوپل نوع 2 را به ولت متر متصل کنیم، شرایط کمی متفاوت تر خواهد بود، با توجه به اینکه این نوع ترموکوپل از فلزهای آهن و کنستانت ساخته می شود، هر دو نقطه اتصال ترموکوپل، با فلز مس درون ولت متر تشکیل یک ترموکوپل می دهند. جهت اندازه گیری ولتاژ واقعی باید ولتاژ هر دو نقطه معلوم باشد. با توجه به راه حلی که در بالا ارایه شد، لازم است که دو نقطه مرجع دما وجود داشته باشد که این کار امکان پذیر نیست. راه حلی که در اینجا پیشنهاد می شود در شکل پایین نشان داده شده است، در این حالت از یک اتصال میانی استفاده می شود، و سیم های ترموکوپل به این واسط میانی متصل می شوند. سپس این ترمینال میانی به وسیله سیم های مسی که از جنس سیم های داخل ولت متر می باشند به ولت متر متصل می شود.

نکته:با توجه به اینکه دو نقطه تشکیل شده در این اتصال میانی به صورت قرینه قرار گرفته اند، اثر یکدیگر را خنثی می کنند. و برای اندازه گیری ولتاژ ترموکوپل مانند حالت قبل تنها لازم است که ولتاژ V2 محاسبه شود.  در سنسور های اندازه گیری دما استفاده از اتصال میانی روشی است که در ترموکوپل های صنعتی به کار می رود.

نحوه اندازه گیری ولتاژ در ترموکوپل ها ی نوع Jبه کمک ولت متر
نحوه اندازه گیری ولتاژ در ترموکوپل ها ی نوع J به کمک ولت متر

 

سنسورهای ترموکوپل نیز همانند RTD ها درون پوشش فلزی استوانه ای قرار داده می شوند. این پوشش کمک می کند که ترموکوپل از تأثیرات شیمیایی و مکانیکی و آلودگی های خارجی در امان باشد. آلودگی ها منجر به تغییر مشخصات ترموکوپل و اخلال در عملکرد آن می شوند. ترموکوپل ها در سه مدل ساخته و نصب می شوند. این سه مدل ترموکوپل در شکل پایین نشان داده شده اند.

 

انواع مختلف ترموکوپل ها از نظر نوع نصب
انواع مختلف ترموکوپل ها از نظر نوع نصب

 

در نوع اول، فلزهای ترموکوپل به طور کامل درون پوشش قرار داده می شوند، و نقطه انتهایی آنها به بدنه فلزی پوشش، جوش می شود، اینکار باعث کاهش تاخیر زمانی اندازه گیری دما خواهد شد. در این حالت بدنه پوشش به زمین متصل می شود، تا تحت تأثیر نویزهای الکتریکی محیط قرار نگیرد؛ اما به دلیل پایین بودن میزان ولتاژ تولیدی در ترموکوپل، باز هم مقداری خطا وجود دارد. در نوع دوم، نقطه اتصال دو فلز، بیرون از پوشش قرار می گیرد. و امکان تماس سنسور با سیال وجود دارد این مساله سرعت اندازه گیری دما را افزایش خواهد داد.
در نوع سوم، نقطه اتصال دو فلز با کمی فاصله از قسمت انتهایی پوشش قرار می گیرد و هیچ گونه تماسی با بدنه فلزی پوشش ندارد، در این حالت ترموکوپل دیگر به زمین متصل نمی شود و در معرض نویز های محیطی قرار نمی گیرد و از نظر الکتریکی کاملا مجزا است، اما تاخیر اندازه گیری افزایش می یابد. سیم های ترموکوپل که درون پوشش فلزی قرار می گیرند، به وسیله یک ماده عایق از تماس با بدنه فلزی، جدا می شوند. به منظور اندازه گیری دمای سیال درون تجهیزات سایت، ترموکوپل ها را نیز مانند سنسورهای RTD درون غلاف قرار می دهند. ترموکوپل بوسیله فنری که در قسمت انتهایی آن تعبیه می شود، درون غلاف جای داده می شود در این صورت با سطح غلاف در تماس خواهد بود و سرعت و دقت اندازه گیری دما افزایش می یابد.

 

نحوه نصب ترموکوپل ها درون غلاف
نحوه نصب ترموکوپل ها درون غلاف

 

با توجه به اینکه خروجی ترموکوپلها به صورت ولتاژ می باشد، می توان آنها را مستقیما به سیستم کنترل متصل کرد و دیگر نیازی به مبدل و ترانسمیتر نمی باشد.

با توجه به مطالبی که در بالا گفته شد، جهت جلوگیری از ایجاد ترموکوپل جدید در محل اتصال کابلها، بهتر است سیم های رابط تا اتاق کنترل از جنس، فلزهای ترموکوپل و سیم های سنسور باشند، اما این کار مقرون به صرفه نیست زیرا سیم های ترموکوپل با دقت بالایی ساخته می شوند و قیمت گرانی دارند؛ و این سیم ها تنها در نقش انتقال سیگنال عنصر اندازه گیری دما به کار می روند. بدین منظور سازندگان کابلهای دیگری ارایه می کنند، که از نظر مشخصات حرارتی بسیار شبیه به سیم های ترموکوپل بوده، و قیمت ارزان تری دارند. به این کابلها، کابل توسعه ترموکوپل گفته می شود. این کابلها مانند خود ترموکوپل ها و با همان نامها تولید می شوند.  کابلهای توسعه ترموکوپل تا دمای ۲۰۰°C مشخصات حرارتی، نزدیک به سیم های ترموکوپل دارند.

 

اتصال ترموکوپل به وسیله کابل های توسعه
اتصال ترموکوپل به وسیله کابل های توسعه

 

در سنسور های اندازه گیری دما چنانچه برای اتصال دو کابل به یکدیگر از ترمینال استفاده شود، فلز ترمینال نیز باید از نوع خود ترموکوپل باشد؛ در صورت رعایت نکردن این مساله، خود ترمینال مثال یک ترموکوپل مجازی عمل می کند و باعث ایجاد خطا در اندازه گیری می شود. در صورت استفاده از کابلهای معمولی برای انتقال ولتاژ ترموکوپل، با توجه به اینکه سیم های معمولی مشخصات حرارتی مطابق با سیم ترموکوپل ندارند باید دمای محیط به درجه حرارت نشان داده شده اضافه شود. این دما معمولا ۳۰°C و یا mv۰ / ۱۷ در نظر گرفته می شود.

رنگ بندی کابل های ترموکوپل در استانداردهای مختلف
رنگ بندی کابل های ترموکوپل در استانداردهای مختلف

نکته مهم در مقاله سنسور های اندازه گیری دما زمان نصب ترموکوپل ها است، رعایت جهت مثبت و منفی ولتاژ خروجی ترموکوپل می باشد. این علامت مثبت و منفی ممکن است بر روی سیم های ترموکوپل معین شده باشد. در صورت مشخص نبودن علامت مثبت و منفی، سیم منفی ترموکوپل معمولا نرمتر می باشد، این مساله با دست کاملا محسوس است. اما جهت رفع هرگونه خطا در زمان نصب ترموکوپلها، این موضوع در استانداردهای مربوطه به وسیله رنگ مشخص شده است، و سرهای مثبت و منفی ترموکوپلها و سیم های توسعه توسط رنگهای متنوع کدبندی می شوند. شکل بالا این رنگ بندی در استانداردهای مختلف را نشان میدهد. تمام رنگ بندی ها برای ترموکوپل و سیم های رابط و توسعه دهنده آن باید، از استاندارد واحدی تبعیت نمایند تا در زمان بهره برداری و انجام تعمیرات اشتباهی رخ ندهد.
همانطور که گفتیم می توان بدون استفاده از مبدل و ترانسمیتر ولتاژ تولید شده در ترموکوپلها را به سیستم کنترل منتقل کرد، اما با توجه به اینکه ولتاژ الکتریکی تولید شده دامنه کوچکی دارد و این احتمال وجود دارد که تحت تأثیر نویزهای الکتریکی قرار گیرد، برای انتقال سیگنال تولید شده از ترانسمیتر استفاده می شود. بدین منظور سیستم های الکترونیکی کوچکی ساخته شده اند که در جعبه اتصالات ترموکوپل قرار می گیرند.  خروجی این سیستم ها معمولا جریان الکتریکی ۴ – ۲۰mA است، که کمتر تحت تأثیر نویز قرار می گیرد. محدوده دمایی که ترموکوپلها اندازه گیری می کنند، بسیار بالاست به نحوی که امکان نصب سیستم های الکترونیکی در آن شرایط و در نزدیکی سنسور وجود ندارد. لذا معمولا مبدل و ترانسمیتر در فاصله دورتری نصب می شوند و ترموکوپل به وسیله کابلهای توسعه به آنها متصل می شود.
ترموکوپل ها بسیار ساده می باشند و نیازی به تغذیه جداگانه ندارند و نسبت به سنسورهای RTD ارزان تر هستند. ترموکوپلها محدوده دمایی وسیعی را (۱۵۰۰ تا ۲۰۰- درجه سانتیگراد ) پوشش می دهند. و به راحتی می توان آنها را تعویض و جایگزین کرد. زمان پاسخ گویی سریعی (بین۰ / ۲ تا ۱۲ ثانیه ) دارند، سنسورهای RTD جهت اندازه گیری دما، متوسط گیری می کنند اما ترموکوپلها دمایی را که در نقطه انتهایی آنها وارد می شود، مستقیما اندازه گیری می کنند و به همین دلیل سریعتر می باشند.

سنسورهای نوری دما

سنسور های اندازه گیری دما که تا کنون معرفی کردیم، همگی از طریق تماس با سیال فرآیندی (مستقیم یا غیر مستقیم) دمای آن را اندازه گیری می کردند. اما در مواردی که تماس سنسور باسیال و فرآیند امکان پذیر نباشد، مثلا هنگامی که تجهیز متحرک بوده و یا با دمای بسیار بالا کار می کند به گونه ای که کوچک ترین تماس موجب ذوب شدن و خرابی سنسور می شود دیگر امکان تماس سنسور با فرآیند وجود ندارد.

برای اندازه گیری دما در این شرایط از سنسورهای تشعشعی و نوری استفاده می شود. حس گرهای نوری بر اساس تغییر انرژی تابشی اجسام در اثر دما کار می کنند. این انرژی به صورت امواج الکترومغناطیسی است. برای بیان رابطه بین دمای جسم با طول و شدت موج ساطع شده مفهومی به نام جسم سیاه تعریف می شود جسم سیاه جسمی است که هیچ اشعه ای از خود عبور نداده و در واقع یک ساطع کننده کامل است، به بیان دیگر هرگونه گرمایی که به آن داده می شود را جذب نموده و بصورت امواج تشعشع می نماید. در شکل پایین  یک حسگر نوری نشان داده شده است.

نکته: حسگرهای نوری اگر به درستی کالیبره و تنظیم گردند نتایج دقیق و خوبی خواهند داشت. که محدوده دمایی وسیعی تا C° ۴۰۰۰ را پوشش می دهند. از این سنسورها در صنایع نفت و گاز به ندرت استفاده می شود و تنها انواع دستی و متحرک آنها برای مشاهده دما در نقاط مورد نظر به کار گرفته می شوند.

 

یک نمونه سنسورهای نوری دما
یک نمونه سنسورهای نوری دما

 

 

برای خرید کنترلر دما به سایت یوتاب صنعت مراجعه فرمایید.

 

 

مقایسه بینRTD و ترموکوپل

به دلیل استفاده از فلزات خالص در ساخت RTD ها، قیمت این سنسورها از ترموکوپلها خیلی بیشتر است. اما در مقایسه با ترموکوپلها محدوده اندازه گیری کوچکتری دارند. لذا در شرایطی که نیازمند دقت بالایی هستیم و محدوده اندازه گیری کم است، بهتر است از RTD ها استفاده نماییم در غیر این صورت ترموکوپل ها مناسب تر می باشند. و بهتر است یک قاب محافظ برای بخش های الکترونیکی ترانسمیتر سفارش داده شود، تا در معرض گرد و غبار و باران نباشد.

باید توجه کرد زمان پاسخ RTD ها نسبت به ترموکوپل ها کندتر است و با توجه به رنج اندازه گیری کوچک دقت و حساسیت بیشتری نسبت به ترموکوپل ها دارند. نوسانات الکتریکی نیز تأثیری بر آنها ندارد. ولتاژ خروجی RTD ها از خروجی ترموکوپل ها بزرگتر است، به همین دلیل کمتر تحت
تأثیر نویزهای الکتریکی قرار می گیرند. و برای اتصال RTD ها به مبدل نیازی به کابلهای خاص نمی باشد، و می توان از کابلهای مسی معمولی استفاده کرد.

توجه به این نکته ضروری است که قطع تغذیه در سنسورهای RTD منجر به وقوع خطا در اندازه گیری می شود. در صورت قطع شدن کابل سنسور، دمای ماکزیمم نمایش داده می شود و در صورت قطع تغذیه و یا وقوع اتصال کوتاه در مدار، دمای کمینه نشان داده می شود. اما در ترموکوپل ها چنانچه کابلها قطع شوند هیچ ولتاژی اندازه گیری نمی شود و مقدار مینیمم نمایش داده می شود و در صورت وقوع اتصال کوتاه نیز چون جریان زیادی کشیده می شود ولتاژ افت کرده و باز هم مقدار مینیمم نمایش داده می شود.

  • استفاده از سنسورهایی که دارای دو عدد RTD می باشند جهت کاهش هزینه ها و تسریع در انجام عملیات تعمیرات توصیه می شود.

نویسنده: محمدرضا

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *