روشهای اندازه گیری دما

روش های اندازه گیری دما

درجه حرارت یکی از معمول ترین و مهم ترین کمیتی است که برای کنترل اکثر 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 الکل 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.

دماسنج ترمومتری پزشکی

   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 تکان شدید بدهید تا جیوه داخل لوله از خمیدگی بگذرد و کامل وارد مخزن گردد

دماسنج گازی

   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

ترموکوپل تیپ K

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.

ترموکوپل تیپ J

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.

ترموکوپل تیپ E

 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.

ترموکوپل تیپ T

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.

ترموکوپل تیپ N

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.

ترموکوپل تیپ S، R و B

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.

اندازه گیری سطح

روش های اندازه گیری سطح

برای انتخاب فناوری متناسب با فرآیند شما ، مهم است که ماهیت محصولی را اندازه گیری کنید. آیا این یک ماده جامد، مایع یا خمیر است؟ اگر مایع باشد ، آیا روی سطح مایع کف وجود دارد؟

فن آوری های اندازه گیری سطح را می توان به دو گروه تقسیم کرد:

1- تماسی                              2- غیر تماسی

 فناوری های غیر تماسی بیشتر مناسب استفاده در محیط های سخت هستند. اندازه گیری سطح غیر تماسی نیز این مزیت را دارد که خطر آلودگی محصول وجود ندارد.

مانند هر سنسور ، دامنه اندازه گیری بسیار وارد شده است و باید توجه داشت که موقعیت سنسور نسبت به محصول در نظر گرفته شود. به عنوان مثال ، اگر یک سنسور را در بالای

یک سیلو نصب کنید و 1 متر ارتفاع بین سنسور و حداکثر ارتفاع محصول در مخزن یا سیلو وجود دارد ، هنگام ارزیابی دامنه سطح قابل اندازه گیری ، باید این متر را در نظر بگیرید .

انتخاب سنسور تراز مقاوم در برابر فشار و دما شرایط فرآیند و دارای سیگنال خروجی سازگار با سیستم اندازه گیری مهم است:  خروجی آنالوگ یا دیجیتال ؛ یا بدون نمایشگر خروجی

رله؛ و غیره.

چرا ترانسمیتر سطح شناور را انتخاب کنیم؟

اصل یک ترانسمیتر سطح شناور نسبتاً ساده است: یک شناور با تغییر سطح مایع روی یک محور عمودی می لغزد. برای اندازه گیری سطح مایع ، کافی است موقعیت شناور را در

محور عمودی اندازه بگیرید.

این یک نوع دقیق سنسور است که از یک فرایند ساده و اثبات شده استفاده می کند و اندازه گیری توسط ویسکوزیته مایع یا وجود کف روی سطح آن تأثیر نمی گذارد. با این وجود ،

اندازه گیری به اختلالات سطح مایع مانند امواج حساس است. این سنسورها ارزان هستند و نیازی به تعمیر و نگهداری منظم ندارند ، اما برای محصولات خورنده مناسب نیستند.

دامنه اندازه گیری با طول لوله نشانگر محدود می شود و معمولاً کمتر از یک متر است.

چرا ترانسمیتر سطح هیدرواستاتیک را انتخاب کنیم؟

سنسورهای سطح هیدرواستاتیک سنسورهای فشار زیر آب هستند. آنها فشار هیدرواستاتیک را متناسب با ارتفاع مایع بالای سنسور اندازه گیری می کنند. این فناوری فقط برای

مایعات مناسب است.

سنسورهای سطح هیدرواستاتیک دامنه اندازه گیری وسیعی را ارائه می دهند و تحت تأثیر تشکیل کف قرار نمی گیرند. با این حال ، اندازه گیری به تراکم مایع و فشار موجود در مخزن

بستگی دارد. نصب دقیق و ساده (سنسور اغلب در قسمت زیر مخزن نصب می شود) ، این فناوری به طور گسترده ای در صنایع غذایی و تصفیه خانه ها استفاده می شود. این

نوع حسگر باید حفظ شود ، زیرا رسوبات می توانند بر روی دیافراگم ایجاد شده و اندازه گیری را جعل کنند. همچنین برای هرگونه مداخله در سنسور نصب شده در ته مخزن (نصب ،

برداشتن و غیره) لازم است قبل از آن مخزن تخلیه شود.

چرا ترانسمیتر سطح رادار را انتخاب کنیم؟

ترانسمیتر سطح راداری در بالای مخزن ، بالای محصول نصب شده است.این مایکروویو ها را به سطح محصول می فرستد که به نوبه خود آنها را به سمت سنسور بازتاب می کند. با

اندازه گیری زمان حرکت بین موج ساطع شده و منعکس شده می توان فاصله بین سنسور و سطح محصول را استنباط کرد. این امکان محاسبه سطح محصول را فراهم می کند.

مزیت اصلی این نوع سنسور این است که می تواند سطح هر نوع محصول (مایعات ، خمیرها ، جامدات و ...) را اندازه گیری کند به شرطی که رسانای الکتریکی نباشد. سنسورهای

رادار نسبت به خصوصیات محصول (دما ، فشار ، چگالی ، رسانایی و غیره) بسیار دقیق و حساس نیستند.

از آنجا که این یک فناوری کاملاً بدون تماس است ، می توان از این سنسورها در محیط های سخت و یا با محصولی ساینده ، خورنده و غیره استفاده کرد.

مزیت دیگر این است که این سنسورها بالاتر از سطح محصول ، معمولاً در بالای مخزن نصب می شوند ، بنابراین بدون نیاز به تخلیه مخزن به راحتی می توان آنها را از بین برد.

یک گزینه جالب برای فناوری رادار وجود دارد: سنسور رادار هدایت شونده یا سنسور موج هدایت شونده. این نوع سنسورها با همان اصل کار می کنند ، اما مایکروویوها در امتداد

یک میله یا کابل هدایت می شوند که در محصول غوطه ور است. با هدایت موج در هر دو جهت ، سنسور نسبت به آشفتگی ها ، به ویژه به آشفتگی های سطح محصول (به عنوان

مثال سطح تحریک شده ، تولید کف ، مخروط تخلیه مواد جامد سست و غیره) و عناصر موجود در مخزن (داخلی عناصر ساختاری یا تجهیزات با سطوح منعکس کننده موج).

ترانسمیتر فشار ویکا

چرا ترانسمیتر سطح اولتراسونیک را انتخاب می کنیم؟

مانند سنسورهای سطح رادار ، ترانسمیتر سطح اولتراسونیک بالای محصول نصب شده اند. اصل مشابه است ، آنها پالس های فراصوتی منتشر می کنند که توسط سطح

محصول منعکس می شوند. با اندازه گیری زمان حرکت موج بین انتشار و دریافت موج منعکس شده ، می توان فاصله سنسور و سطح محصول را محاسبه کرد.

این فناوری امکان اندازه گیری غیر تماسی را فراهم می کند و همان مزایای سنسورهای راداری را دارد:

نصب و حذف این نوع سنسورها آسان است و نیازی به تخلیه مخزن یا مخزن ندارد. یک مزیت اضافی این است که ارتعاش فراصوت سنسور خود تمیزکاری دائمی را تضمین می کند

که به عنوان مثال از گرفتگی سنسور به دلیل رسوبات گرد و غبار جلوگیری می کند.

این سنسورها همچنین دامنه اندازه گیری گسترده ای را ارائه می دهند ، و آنها را برای استفاده در بسیاری از برنامه ها مناسب می کند.

از سنسورهای اولتراسونیک برای اندازه گیری سطح مایعات و جامدات استفاده می شود ، اما برای محصولات کف آلود یا گرد و غبار ، که امواج را ضعیف می کنند ، مناسب نیستند.

این سنسورها به تغییرات دما نیز حساس هستند و برای دمای بالا و فشار زیاد مناسب نیستند.

چرا ترانسمیتر سطح خازنی را انتخاب کنیم؟

اصل ترانسمیتر سطح خازنی این است که یک سنسور و ظرف یک خازن الکتریکی را تشکیل می دهند که مقدار ظرفیت خازنی آن مستقیماً به ارتفاع محصول در مخزن بستگی دارد.

سنسورهای خازنی مخصوصاً سنگین هستند و می توانند در برابر دما و فشارهای بسیار بالا مقاومت کنند. نصب آنها آسان است و حتی با محصولات چسبناک یا بسیار چسبناک نیز

قابل اعتماد هستند. می توان آنها را با مایعات ، محصولات دانه ای یا پودرها استفاده کرد. برخلاف سنسورهای اولتراسونیک و رادار ، حسگرهای خازنی نسبت به محصولات رسانای

الکتریکی حساس نیستند.

این سنسورها به طور کلی در صنایع شیمیایی ، غذایی و پلاستیک مورد استفاده قرار می گیرند.

چرا ترانسمیترسطح رادیومتریک را انتخاب کنیم؟

ترانسمیتر سطح رادیومتریک از یک منبع رادیواکتیو استفاده می کنند که پرتوهای گاما را ساطع می کند که با عبور از ماده ضعیف می شوند. این فناوری به منبع و حسگری نیاز

دارد تا پرتوهای گاما از مخزن عبور کنند. اشعه گاما بسته به ارتفاع محصول در مخزن کم و بیش ضعیف می شود.

مزیت اصلی این نوع سنسورها این است که می تواند برای همه کاربردها مورد استفاده قرار گیرد. این امکان را برای اندازه گیری غیرتماسی و غیرتهاجمی فراهم می کند ، زیرا در

خارج از مخزن نصب می شود (اشعه گاما از دیواره ها عبور می کند) ، به این معنی که دیگر لازم نیست تولید را متوقف کنید. این نوع سنسور تحت تأثیر مشخصات محصول قرار

نمی گیرد و بنابراین می تواند در محیط های تهاجمی و در شرایط شدید (دما و فشار) مورد استفاده قرار گیرد.

این تکنیک قابل اعتماد است و با وجود استفاده از اشعه گاما ، برای کاربر بسیار ایمن است.

در حالی که می توان از آن در همه جا استفاده کرد ، این فناوری بسیار گران است و فقط در مواردی استفاده می شود که هیچ نوع سنسور سطح دیگری قابل استفاده نیست.

مزایا و معایب رشته ابزار دقیق

ابزار دقیق یک اصطلاح جمعی برای اندازه گیری ابزارهایی است که برای نشان دادن ، اندازه گیری و ثبت مقادیر فیزیکی استفاده می شود. ریشه این عبارت در هنر و علم ابزار سازی علمی است.

ابزار دقیق می تواند به دستگاههایی به سادگی دماسنجهای خوانا مستقیم یا به اندازه اجزای چند حسگر سیستم های کنترل صنعتی پیچیده باشد. امروزه ابزاردقیق را می توان در آزمایشگاه ها ، پالایشگاه ها ، کارخانه ها و وسایل نقلیه و حتی در استفاده های روزمره خانگی یافت.

ابزار دقیق ادواتی هستند که بر حسب نوع کمیت مورد نیاز واحد تحت کنترل ، اعم از فشار ، دما ، سطح و … با توجه به شرایط و استانداردهای تعین شده ، انتخاب و مورد استفاده قرار می گیرند.

ابزار دقیق در حقیقت زیر ساخت یک سیستم کنترل و اتوماسیون را تشکیل میدهند و شامل ابزاری نظیر: انواع سنسور، انواع کنترلر، نشاندهنده، ترانسمیتر، رکوردر و…می باشند که این ابزار وظیفه اندازه گیری، انتقال، نمایش، ثبت و کنترل پارامترهای مهم فیزیکی را در پروسه های صنعتی به شکلی دقیق بر دوش دارند.

ابزار دقیق را میتوان به دو صورت دسته بندی کرد یکی از نظر نوع عملکرد این ابزار؛ برای مثال ابزاری که عمل کنترل دما یا فشار و رطوبت و یا سطح را بر عهده دارند به کنترلر مشهورند و به همین ترتیب ابزار نمایش این مقادیر که به ایندیکیتور یا نمایشگر معروفند و ابزار انتقال اطلاعات مقادیر به صورت سیگنال های استاندارد که  ترانسمیتر یا منتقل کننده نامیده میشوند .

 ابزار دقیق را همچنین میتوان از نظر پارامتری که این ابزار بایستی عملیاتی بر روی آن انجام دهد دسته بندی کرد برای مثال بخشهای ابزار دقیق مربوط به دما نظیر کنترلر دما، ترانسمیتر دما و ترمومتر یا نمایشگر دما، ابزار اندازه گیری و کنترل دقیق فشار، فلومتر یا سنجش جریان سیالات و انتقال مقادیر فلو یا کنترل فلو، ابزار سطح سنجی یا اندازه گیری سطح مواد درون مخازن و کنترل دقیق آنها و ابزار سرعت سنجی، ابزار رطوبت سنجی و ….

ابزار وسیله ای است که متغیرهای فیزیکی فرآیند مانند جریان ، دما ، سطح یا فشار و غیره را اندازه گیری یا دستکاری می کند. ابزارها شامل سازه های متنوعی هستند که می توانند به سادگی دریچه ها و فرستنده ها و به همان اندازه تحلیل گرها پیچیده باشند. ابزارها اغلب شامل سیستم های کنترل فرآیندهای متنوع هستند . کنترل فرآیندها یکی از شاخه های اصلی ابزار دقیق است.

ابزار کنترل شامل وسایلی مانند سلونوئید ، شیرآلات ، قطع کننده های مدار و رله ها است. این دستگاه ها قادر به تغییر پارامتر میدانی و فراهم کردن قابلیت کنترل از راه دور یا خودکار هستند. فرستنده ها دستگاههایی هستند که سیگنال آنالوگ تولید می کنند ، معمولاً به شکل سیگنال جریان الکتریکی 4-20 است ، اگرچه گزینه های دیگر با استفاده از ولتاژ ، فرکانس یا فشار امکان پذیر است.

این سیگنال می تواند برای کنترل مستقیم سایر ابزارها استفاده شود ، یا می تواند به یک PLC ، DCS ، سیستم SCADA یا نوع دیگر کنترل کننده رایانه ای ارسال شود ، جایی که می تواند به مقادیر قابل خواندن تفسیر شود و برای کنترل سایر دستگاه ها و فرایندها در سیستم.

ابزار دقیق در جمع آوری اطلاعات از زمینه و تغییر در پارامترهای زمینه نقش بسزایی دارد و به همین ترتیب قسمت اصلی حلقه های کنترل هستند.

از ابزار می توان برای اندازه گیری پارامترهای خاص میدان استفاده کرد (مقادیر فیزیکی):

این مقادیر اندازه گیری شده ممکن است شامل موارد زیر باشد:

• فشار دیفرانسیل یا استاتیک
• جریان
• دما
• سطح
• چگالی
• ویسکوزیته
• و ...