اهمیت اندازه گیری در صنعت:

امروزه یکی از مهمترین بحث ها در صنعت، اندازه گیری است. در واقع با استفاده ازتجهیزات ابزار دقیق می توان بر عملکرد فرآیندهای صنعتی نظارت داشته و خروجی آنها را کنترل کرد.

دلایل اندازه گیری دما:

  • کیفیت محصول: محصولات مطلوب فقط تحت شرایط خاص دمایی تولید می شوند. اندازه گیری و کنترل دما، کلید کیفیت محصول است.
  • بازدهی: اندازه گیری و کنترل دقیق دما در برخی فرآیندها باعث کاهش مصرف انرژی و در نتیجه افزایش بازدهی می شود.
  • ایمنی: در واکنش های شیمیایی گرمازا، احتمال افزایش سریع دما وجود دارد. در نتیجه اندازه گیری دما تضمین امنیت است.
  • بارگیری محصول: سیالات (گاز) بر اساس دبی حجمی خرید و فروش می شوند و از طرفی دبی حجمی با دما تغییر می کند، در نتیجه دمای سیال باید دقیقا کنترل شود.

روش های اندازه گیری دما:

  • تماسی:
  1. ترموکوپل: شامل انواع ترموکوپل...
  2. حسگر مقاومتی دما: پلاتین/ نیکل/ مس
  3. ترمیستورها: PTC/NTC
  4. ابزار پر شده: مایع/ جیوه/ بخار/ گاز
  5. بی متال
  • غیر تماسی: پیرومتر تابشی/ پیرومتر صوتی

اساس عملکرد ترموکوپل ها:

اثر ترموالکتریک: بر اساس خاصیت ترموالکتریک، هر تغییر در درجه حرارت یک فلز باعث به حرکت درآمدن الکترون های آزاد آن می شود. بر اساس همین خاصیت، اگر دو تیغه از دو جنس مختلف را از یک سر بهم متصل کنیم و به محل اتصال حرارت دهیم. در این هنگام الکترون ها جریان پیدا کرده در نتیجه سر یک تیغه تراکم بار مثبت و سر تیغه ی دیگر تراکم بار منفی پیدا می کند.

توجه: هرقدر این تغییر دما، دریک فلز خاص، بیشتر باشد به همان نسبت جریان الکترون ها بیشتر خواهد بود که خود باعث  تغییر بار الکتریکی در یک نقطه می شود.

اجزای اصلی ترموکوپل:

اتصال گرم: محل اتصال دو تیغه به یکدیگر را اتصال گرم می نامند. این نقطه در تماس با فرآیند قرار می گیرد و حسگر ترموکوپل محسوب می شود.

اتصال سرد: به دو سر آزاد دو تیغه یک ولت متر جهت اندازه گیری اختلاف ولتاژ بوجود آمده، متصل می گردد. این محل، اتصال سرد یا مرجع محسوب می شود. توجه شود که اگر میخواهیم دمای جسم را بطور مطلق اندازه گیری کنیم، باید اتصال سرد در دمای ℃0 باشد وگرنه خطایی بنام خطای اتصال سرد ایجاد می شود.

انواع ترموکوپل:

ترموکوپل ها از نظر جنس فلزات بکار رفته به چندین نوع تقسیم می شوند.

نوع E : کرومل و کنستانتان/ عمومیت بیشتری دارند زیرا دارای بزرگترین خروجی ولتاژ هستند، از فلزهای غیرمغناطیسی استفاده شده است.

نوع J : آهن و کنستانتان/ در دماهای بالاتر از 760 ℃ استفاده نمی شوند، چرا که آهن بخصوص در دماهای بالا دچار اکسیداسیون می شود.

نوع T : مس و کنستانتان/ در دماهای خیلی پایین استفاده می شوند، در برابر رطوبت بسیار بالا مقاومند.

نوع K : کرومل و آلومل/ رایج ترین نوع ترموکوپل در صنعت هستند، ارزان و محدوده دمایی وسیعی دارند.

نوع N : نیکروسیل و نیسیل/ پایداری و مقاومت بالا در برابر اکسید شدن در دماهای بالا دارند.

نوع S,R و B: پلاتین و رودیوم/ برای اندازه گیری دماهای خیلی بالا مفید هستند (نوع B تا دمای 1800℃) ، تفاوت این سه نوع در میزان پلاتین آنها است، بخاطر حضور پلاتین گران قیمت هستند.

فلزات بکار رفته باید دارای مشخصه هایی باشند، از جمله:

نقطه ذوب فلز/ واکنش نسبت به تغییر شرایط اتمسفر/ خروجی ترموالکتریکی در ترکیب با دیگر فلزات / میزان هدایت الکتریکی فلز در مقابل مقاومت الکتریکی آن/ پایداری/ تکرارپذیری/ هزینه/ ساخت و بکارگیری آسان

مزایا و معایب ترموکوپل ها:

مزایا: هزینه کم، اندازه کوچک، مقاوم، محدوده کاری وسیع، پایدار در حد قابل قبول، دقیق برای تغییرات دمایی بالا

معایب: خروجی خیلی ضعیف در حد میلی ولت، دقت محدود برای تغییرات دمایی کم، حساس نسبت به نویز الکتریکی، غیر خطی، تبدیل پیچیده از ولتاژ به دما، خطای مربوط به اتصال سرد

حسگرهای مقاومتی دما (RTDs):

اثر ترمومقاومتی: بر اساس خاصیت ترمومقاومتی، مقاومت اهمی فلزات در اثر تغییر دما، تغییر می کند. مقاومت الکتریکی فلزات عموماً با افزایش دما، افزایش می یابد و در این حالت تجهیز اندازه گیری ضریب دمایی مثبت دارد.

ضریب دمایی: مقدار این ضریب، حساسیت تجهیز اندازه گیری را تعیین میکند. این ضریب بیانگر میزان تغییر مقاومت فلز در ازای تغییر دماست.

ویژگی جنس المان حسگر:

  • یک ارتباط (خطی) مشخص و قابل پیش بینی بین دما و مقاومت حسگر وجود داشته باشد.
  • مقاومت المان حسگر نسبتا بالا باشد تا بتوان آن را به آسانی اندازه گیری کرد.
  • استحکام فیزیکی بالا داشته باشد.
  • در محدوه دمای اندازه گیری، دارای پایداری (ذوب نشدن یا یخ نزدن) باشد.

انواع المان حسگر:

پلاتین: دقت، تکرارپذیری و تغییر مقاومت بالایی به ازای تغییر دما دارند. در محدوده دمای کاری بسیار خطی هستند. اما گران اند.

مس: نسبت به پلاتینی محدوده دمایی کوچکتر و دقت کمتری دارند.

نیکل: ویژگی خطی ضعیف، دقت محدود، تکرارپذیری کمتر و محدوده دمایی کاری نسبتاً کوچکی دارند. اما ضریب دمایی بزرگتری نسبت به دو جنس دیگر دارند.

توجه: از مس و نیکل در مواردی که دقت موضوع حیاتی نیست، استفاده می شود. (مثل سیم پیچ های موتور و یاتاقان ها)

PT100 و PT1000 دو نمونه از رایج ترین نوع RTD در صنعت هستند.عبارت PT بیان می کند که جنس فلز، پلاتین است. عبارت 100 و 1000 هم مقاومت فلز بر حسب اهم در دمای ℃0 است.

اندازه گیری مقاومت:

برای خواندن دقیق دما از یک RTD باید مقاومت المان حسگر آن اندازه گیری شود.

اما یک مشکل وجود دارد !!!

آن هم حضور سیم های رابط (Lead Wires) است.چرا که هر سیم رابط مسی که به المان حسگر وصل می شودخود دارای مقاومت است که این مقاومت به مقاومت المان اضافه می شود. اگر مقاومت اضافه شده را نادیده بگیریم، یک خطا بوجود می آید و اندازه گیری دما دقیق نخواهد بود، خطای حاصل تاثیر سیم رابط نامیده می شود.

جبران سازی تاثیر سیم رابط:

برای جبران سازی تاثیر سیم های رابط، از RTD های سه سیمه و چهارسیمه بجای دو سیمه استفاده می شود.

سه سیمه: با اتصال یک سیم مسی اضافه به یکی از سیم های رابط اولیه ایجاد می شود.

چهار سیمه: با اتصال یک سیم مسی اضافه به هر یک از سیم های رابط اولیه ایجاد می شود.

تذکر: در سه سیمه از تقریب ولتاژ استفاده می شود لذا باز هم مقداری خطا وجود دارد. اما چهارسیمه دقت بالاتری دارد.

پس از اینکه مقاومت RTD تعیین شد، باید با استفاده از یکی از معادلات تبدیلی به مقدار دمای متناظرش تبدیل شود.

مزایا و معایب RTD ها:

مزایا: دقت و تکرارپذیری بهتر/ خطاهای مربوط به اتصال سرد مطرح نیست/ در محدوده دمایی خطی تر هستند/ پاسخ سریع

معایب: شکننده و دارای ابعاد بزرگ/ حساس در برابر لرزش با فرکانس بالا/ مشکل گرم شدن/ هزینه تست/ تشخیص عیب بالا/ قیمت بالا

ترمیستور:

ترمیستور یک تجهیز نیمه هادی است.

نیمه هادی ها (semiconductor)

اتم ها در پیوند کوالانسی، الکترون های مدار آخر خود را به اشتراک می گذارند. تا به حالت پایدار برسند. ظرفیت هر اتم برابر با تعداد الکترون های لایه آخر آن است. نیمه هادی ها موادی هستند که در لایه آخر اتم های آنها 4 الکترون والانس (ظرفیت) وجود دارد. مانند: کربن، سلسیوم، ژرمانیوم و ...

توجه: اتم هایی مثل سلسیوم (ژرمانیوم) می توانند الکترون های مدار آخرشان را به اشتراک بگذارند و لایه آخرشان را با 8 الکترون تکمیل کنند.

همانطور که در تصویر زیر مشاهده می شود، تمام اتم های سلسیوم پیوند اشتراکی (کوالانسی) برقرار کرده و یک شبکه کریستالی منظم ایجاد کرده اند. به این ترتیب ماده سلسیوم و ژرمانیوم یک عایق محسوب می شوند. چون فاقد الکترون آزاد هستند.

ساخت نیمه هادی ها:

سلسیوم و ژرمانیوم خالص، تقریباً عایق هستند و فاقد الکترون آزادند. برای ساخت نیمه هادی باید با افزودن اتم های 3 یا 5 ظرفیتی آنها را ناخالص کرد.

نیمه هادی نوع N

اگر به یک کریستال یک اتم 5 ظرفیتی مانند آرسنیک (آنتیموان) افزوده شود، چهار الکترون مدار آخر آرسنیک با چهار اتم مجاور کریستال پیوند اشتراکی می دهد و الکترون پنجم آن، به صورت الکترون آزاد در می آید.

نیمه هادی نوع P

اگر به یک کریستال یک اتم 3 ظرفیتی مانند آلومینیوم (گالیم) افزوده شود، سه الکترون مدار آخر آلومینیوم با سه اتم مجاور کریستال پیوند اشتراکی می دهد و پیوند چهارم در شرایط کمبود الکترون قرار می گیرد. به این ترتیب می توان گفت که یک حفره ایجاد شده است.

مزایا و معایب ترمیستورها:

مزایا: اندازه کوچک/ پاسخ سریع/ حساسیت خیلی بالا/ نیاز نداشتن به جبران سازی اتصال سرد/ ارزان/ تنوع سنسورها/ مناسب برای اندازه گیری از راه دور بر خلاف ترموکوپل ها و RTD ها

معایب: غیر خطی/محدوده کاری کم (73- تا 316 درجه سانتی گراد)/ شکننده/ دقت پایین/ مشکلات ناشی از نویز

توجه: با توجه به هزینه کم و حساسیت بالای ترمیستورها، اغلب برای تشخیص وضعیت های آلارم فرآیند استفاده می شوند. (به عنوان مثال برای تشخیص دمای سیم پیچ موتورها، دمای یاتاقانها و دمای سیم پیچ ترانسفورماتور ها)

ابزار پرشده:

اساس کار این ابزار، قانون انبساط و انقباض مواد است. طبق این قانون، افزایش دما باعث افزایش حجم مواد و کاهش دما سبب کاهش حجم مواد می شود.میزان تغییر حجم در مواد مختلف، متفاوت است: گازها >> مایعات > جامدات

بر اساس این قانون:

اگر یک سیال را در یک مخزن با شرایط خاص محبوس کنیم و به آن حرارت دهیم، در اثر افزایش حجم، فشار آن بالا می رود. که با نصب یک فشارسنج به مخزن، می توان تغییرات فشار را ثبت کرد. و در نهایت با استفاده از معادلات حاکم، تغییرات دما استخراج می شود.

تصویر، شماتیکی ساده از ابزار پرشده را نشان می دهد. که از یک حباب به  عنوان مخزن سیال و حسگر در تماس با فرآیند و از لوله های مویین برای انتقال فشار سیال به گیج فشار استفاده می کند.

انواع ابزار پرشده:

کلاس Ι: سیستم های پرشده با مایع

کلاس ΙΙ: سیستم های پرشده با بخار

کلاس ΙΙΙ: سیستم های پرشده با گاز

کلاس Υ: سیستم های پرشده با جیوه

ویژگی انواع مختلف ابزار پرشده:


مزایا و معایب ابزار پر شده:

مزایا: عملکرد ساده/ ارزان/ نیاز نداشتن به تغذیه/ حساسیت و دقت خوب/ مقاوم در برابر لرزش و ارتعاش

معایب: حباب حجیم/ سرعت پاسخ پایین/ فقط برای محدوده های بزرگ/ غیر خطی

بی متال:

ترمومترهای بی متال بر اساس دو اصل اساسی ساخته می شوند:

1. حجم فلزات با تغییر دما تغییر می کند.  2. ضریب این تغییر برای همه فلزات یکسان نیست.

اگر دو فلز مستقیم و متفاوت به یکدیگر چسبانده شده و حرارت داده شوند، نوار حاصل از طرف فلزی که دارای ضریب انبساط کمتری است خمیده می شود. میزان این تغییر شکل، متناسب با مجذور طول نوار و تغییرات دمایی و بطور معکوس متناسب با ضخامت فلزهاست.

توجه: چون میزان جابجایی بوجود آمده توسط نوار بی متال خیلی کوچک است، برای تقویت آن، نوار بی متال به شکل فنری یا حلزونی ساخته می شوند. از بی متال بطور معمول تا ℃ 400 استفاده می شود و بی متال ها اکثرا در ترموستات ها و سوئیچ های دمایی کاربرد دارند.



مزایا و معایب بی متال:

مزایا:  ارزان/ ساخت ساده/ احتمال شکستن کمتر نسبت به ابزار پرشده 

معایب: دقت محدود/ فقط قابل استفاده برای نمایش یا سوییچینگ ساده/ خارج شدن از وضعیت کالیبره در اثر شوک

پیرومتر :

 دو روش غیر تماسی اصلی عبارتند از:  

پیرومترهای تابشی (Radiation Pyrometers)

پیرومترهای صوتی (Acoustic Pyrometers)

از پیرومترها برای تعیین دمای اشیای متحرک، حرارت بالا و یا هر سطحی که نتوان به آن نزدیک شد، استفاده می شود.

پیرومتر تابشی:

 تشعشع نوعی انتقال انرژی گرمایی است که از اجسام بصورت امواج الکترومغناطیس صادر می گردد.

این پیرومترها بر این اساس ساخته شده اند که: کلیه اجسام در دمای بالاتر از صفر مطلق تشعشع گرمایی دارند.

ترمومترهای تابشی، چگالی انرژی تابشی را اندازه گیری کرده و سیگنالی متناسب با دمای آن شی تولید می کند. مقدار انرژی تشعشعی منتشر شده و طول موج آن، متناسب با دمای شی است.

150

پیرومتر تابشی:

در تشعشعات گرمایی، با افزایش دما، طول موج کاهش می یابد. در کاربردهای صنعتی بخش عمده تشعشعات گرمایی در محدوده مادون قرمز (طول موج 0.7 تا 1000میکرومتر) اتفاق می افتند.

اجزای اصلی پیرومتر:

یک ترمومتر تابشی در ساده ترین حالت شامل یک سیستم و آشکارساز نوری است. سیستم نوری انرژی منتشر شده توسط شی را روی یک آشکارساز که حساس به تابش است متمرکز می کند. خروجی آشکارساز متناسب با مقدار انرژی تابش یافته توسط شی و با توجه به طول موجهای تابشی است. از این خروجی می توان برای تعیین دمای شی استفاده کرد.

پیرومتر صوتی:

سرعت صوت در یک گاز متناسب با دمای آن است. در روشی، از دو پراب کوارتز که در فاصله ای مشخص از هم قرار دارند استفاده می شود. سرعت صوت با اندازه گیری پیوسته زمان گذر موج صوتی تعیین می شود.

مزایا و معایب پیرومترها:

مزایا: محدوده دمایی بالا (تا حدود  ℃ 4000 )/ اندازه گیری بدون تماس/ سرعت پاسخ بالا

معایب: قیمت بالا/ کالیبره مشکل/ ذرات جاذب در هوا مثل بخارآب، گرد و غبار و دود در نتیجه خطا ایجاد میکند. (ترمومترهای تابشی)


مهمترین منابع:

- راهنمای جامع ابزار دقیق کاربردی/ جعفر رضوی/ نشر ایده نگار/ 1396

- اصول اندازه گیری الکتریکی/ فتح الله نظریان/ فنی و حرفه ای/1391 

- اصول و مبانی ابزار دقیق/ حمید فضلعلی/ شرکت ملی گاز ایران /1389

- Temperature measurement, control key to plant performance\ ISA publication\2010

- IPS-E-IN-120