تجهیزات اندازه گیری دما

واحد های اندازه گیری دما چیست ؟

1. C_درجه سلسیوس یا سانتیگراد
2. F_درجه فارنهایت
3. K_درجه کلوین
4. R_درجه رانکین

ارتباط واحد های اندازه گیری دما

1. C=(F-32)1.8
2. F=1.8 C+32
3. K=C+273.15
4. R=F+459.67

 

انواع تجهیزات اندازه گیری دما

معمول ترین تجهیزات اندازه گیری دما که در صنعت استفاده می شوند عبارتند از :

ترموکوپل-حسگر های دمای مقاومتی RTD-ترمیستور-بیمتال-دماسنج های پر شده – دماسنج مادون قرمز

ترموکوپل:  مدار اندازه گیری دما در ترموکوپل

در سال 1821 سیبک،دانشمند آلمانی ،اثر ترموالکتریک را کشف کرد که پایه تکنولوژی ترموکوپل مدرن را پایه نهاد.او مشاهده کرد که در یک مدار الکتریکی بسته ،متشکل از دو فلز متفاوت ،اختلاف دما باعث ایجاد جریان الکتریکی می شود.بدین معنی که بین آن دو نقطه با دمای متفاوت ، اختلاف پتانسیل ترموالکتریکی به وجود می آید.

 

 

 

اختلاف پتانسیل ترموالکتریکی به وجود آمده به جنس فلزات استفاده شده و تفاوت دما بین دو نقطه اتصال بستگی دارد.اگر دمای دو نقطه اتصال یکسان باشد،اختلاف پتانسیل ترموالکتریکی به وجود آمده در دو نقطه یکدیگر را خنثی کرده و جریان الکتریکی در مدار به وجود نخواهد آمد.تفاوت دمای بین دو نقطه اتصال باعث ایجاد اختلاف پتانسیل ترموالکتریکی در دو نقطه و در نتیجه باعث ایجاد جریان الکتریکی در مدار می شود. بنابراین ترموکوپل می تواند فقط اختلاف دمای بین دو نقطه اتصال را اندازه گیری کند و نه دمای مطلق یک نقطه را ،که این امر مبنای استفاده از ترموکوپل را بیان می کند.برای اندازه گیری دمای یک نقطه یکی از نقطه های اتصال در یک دمای مشخص به عنوان دمای مرجع نگه داشته می شود (نقطه اتصال سرد)ونقطه دیگر اتصال در محلی که قرار است دمای آن اندازه گیری شود قرار می گیرد . بنابراین دمای نقطه مورد نظر طبق فرمول زیر محاسبه می شود :

ثابت سیبک برای هر ماده در دمای اتاق متفاوت است. داشتن یک نقطه اتصال با دمای مشخص در محیط آزمایشگاه بسیار مفید است، اما برای اکثر محیط های صنعتی اندازه گیری و کنترل سهل و مناسب نیست.

بدین منظور بجای آن ،با استفاده از تجهیزات حساس به دما مانند ترمیستور ، دیود ،ترموکوپل و..بادقت جهت کاهش هر گونه اختلاف دما بین ترمینالها،یک نقطه اتصال سرد مجازی می سازند.

بدین ترتیب اختلاف پتانسیل نقطه اتصال سرد می تواند پس از اعمال اصلاحات مناسب،شبیه سازی شود.

ساختار ترموکوپل

معمولا المنت (حسگر)داخل ترموول قرار دارد.عموما قطر خارجی المنت یک چهارم اینچ است.معمولا ماده پوسته دور المنت از Stainless Steel  است،که البته در موارد خاص می توان مواد ویژه ای نظیر Hastelloy –Incoloy –Inconel وMonel باشد.ترموکوپل دوبل دارای دو المنت داخل یک پوسته است.

در API 551 انواع ترموکوپل و رنج پیشنهادی استاندارد ISA/ASTM به شرح جدول زیر مشخص شده اند:

نکته : در دما های بسیار بالا باید حتما از ترموول های سرامیکی استفاده شود.موارد زیر باید در انتخاب ترموکوپلمناسب برای کاربرد مورد نظر حتما در نظر گرفته شود :

دما-زمان پاسخ –عمر مفید.

همانطور که قبلا گفته شد ثابت سیبک برای هر ماده در دمای اتاق متفاوت است . بنابراین هر نوع ترموکوپل ثابت سیبک متفاوتی دارد.

انواع اتصال ترموکوپل

دو نوع نقطه اتصال بطور معمول استفاده می شود :

1.نوع A که سر ترموکوپل به منظور پاسخ سریعتر و کاهش اغتشاشات الکتریکی به پوسته که دارای اتصال زمین است جوش داده شده است.

2.نوع B که سر ترموکوپل از نظر الکتریکی از پوسته ایزوله شده است و پاسخ کند تری دارد.

استاندارد های زیر مشخصات ترموکوپل ها را بیان می کنند:

IEC 60584-1: Thermocouples : basic and telorance values of the thermoelectric voltages.

IEC 60584 – 3: Thermocouples : Thermocouple cables and compensating cables

ASTM E 230: standard specification and temperature – electromotive force EMF tables for standardized thermocouples.

دقت ترموکوپل

اختلاف پتانسیل تولید شده توسط ترموکوپل در رنج میلی ولت و ضعیف است و خطای ترانسمیتر ارسال کننده این مقدار اندازه گیری شده نیز حدود 0.01 میلی ولت در نظر گرفته می شود ، بنابراین خطای کلی ترموکوپل می تواند کمتر از 1 درجه سانتیگراد باشد. برای رنج های کوچک اندازه گیری دما این میزان خطا قابل قبول نیست،بنابراین پیشنهاد می گردد از ترموکوپل برای اندازه گیری دما های بالا استفاده شود.برای اندازه گیری دما های پایین و متوسط (200 – تا 600 + درجه سانتی گراد) معمولا از RTD  های Pt100  استفاده می شود.

خطای اندازه گیری کل حاصل جمع خطای سیم های ترموکوپل، سیم های رابط اتصالی و خطای پردازشگر سیگنال (ترانسمیتر) می باشد.

دمای مقاومتی RTD

ترموکوبل RTD  بر اساس این اصل که مقاومت الکتریکی فلزات خاصی در اثر تغییر دما تغییر می کند کار میکنند.هنگامی که دمای فلز افزایش می یابد،مقاومت آن فلز در برابر جریان الکتریکی افزایش می یابد. بطور مشابه ،هنگامی که دمای المنت مقاومتی RTD افزایش یابد مقاومت الکتریکی که براساس اهم اندازه گیری می شود،افزایش می یابد.

المنت های RTD  معمولا بر اساس مقاومت الکتریکی آنها در دمای صفر درجه سانتی گراد ،مشخص می شوند.به دلایل زیر پلاتین معمول ترین فلز برای المنت RTD است:

1 – خنثی بودن شیمیایی

2 – رابطه دما به مقاومت نزدیک و خطی است

3 – ضریب دما

4 – پایداری

مقاومت الکتریکی پلاتین برابر با 100 اهم در دمای صفر درجه سانتی گراد است ،به همین دلیل با عبارت pt100 شناخته می شود.

المنت RTD  

1 – المنت سیم پیچ

طول بسیاری دقیقی از سیم ، که دور یک قالب یا دوک سرامیکی پیچیده می شود، سپس داخل یک غلاف سرامیکی که نقش محافظت از سیم پیچ را دارد،قرار داده می شود.

2 – المنت کویل (سیم پیچ) داخلی

سیمها بعد از پیچیده شدن ، داخل سوراخهای یک ایزوله کننده سرامیکی قرار داده می شود .

برخی از سازندگان بعد از قرار دادن سیم پیچها ، داخل سوراخها را با پودر سرامیک پر می کنند.

این کار از اتصال داخلی و کوتاه شدن سیمها جلوگیری می کند.

3 – المنت ورقه نازک

یک صفحه سرامیکی با لایه ای از جوهر فلز پوشانده می شود. سپس بوسیله لیزر روی آن کنده کاری می شود تا یک مسیر مقاومت الکتریکی به وجود آید. قطعه ساخته شده بصورت کپسول ، جهت محافظت در پوشش سرامیکی قرار می گیرد. این نوع المنت نسبت به المنت سیم پیچ ارزانتر است و پاسخ سریعتری دارد.

پل وتستون

معمول ترین روش برای اندازه گیری مقاومت RTD ،استفاده از پل وتستون است. در پل وتستون در صورتی که مقاومت های دو طرف پل برابر نباشند ،یک جریان الکتریکی از پل عبور می کند . در مدار زیر جریان عبوری از پل بیانگر مقاومت RTD است.

دقت RTD  

خطای سنسور RTD کلاس A برابر با +- 0.03 درجه سانتی گراد یا 0.01% محدوده و رنج اندازه گیری

و خطای سنسور RTD  کلاس B برابر با +- 0.3 درجه سانتی گراد یا 0.12%محدوده اندازگیری

با در نظر گرفتن همه خطا ها ،شامل خطا های سنسور و قسمت های الکتریکی ترانسمیتر، خطای کل برای RTD PT100 کلاس A حدود 0.015% رنج اندازه گیری است.

سیم بندی المنت RTD

المنت RTD ابتدایی یک تجهیز دو سیمه است که انتهای این دو سیم به سیم های ارتباطی متصل می شوند، سپس این سیم های ارتباطی به سیم های مسی برای افزایش طول و صل می شوند.

اگر مقاومت این سیم های ارتباطی را در نظر بگیریم ،طرح دقیق مدار بالا بصورت زیر در خواهد آمد:

مقاومت این سیم های ارتباطی می تواند بشدت دقت اندازه گیری دما را کاهش دهد.برای جبران سازی مقاومت این سیم های ارتباطی ،سیم بندی 3 سیمه می تواند مورد استفاده قرارگیرد،که در این طرح مقاومت سیم های ارتباطی ،در دو طرف مقابل هم در پل وتستون 3 سیمه قرار میگیرند در نتیجه اثر امپدانسی آنها خنثی می شود.

طرح دقیق مدار اندازه گیری RTD سه سیمه بصورت زیر است:

سیم بندی 4 سیمه جبرانسازی بیشتری انجام می دهد، بنابراین با آن حداکثر دقت بدست می آید.

در سیم بندی 4 سیمه ولتاژ خوانده شده در پل وتستون مستقیما متناسب با مقاومت RTD است و به طول سیم های ارتباطی  حساس نیست.

طرح دقیق مدار اندازه گیری RTD چهار سیمه بصورت زیر است:

RTD  چهار سیمه در مقایسه با RTD  سه سیمه بسیار دقیقتر و گرانتر است.

RTD  چهار سیمه در آزمایشگاه ها و تجهیزات کالیبراسیون استفاده می شود.

کاربرد متداول RTD

اغلب RTD  ها به عنوان ترانسمیتر دما در صنایع مختلف برای اندازه گیری دما با سیگنال خروجی 4 تا 20 میلی آمپر برای دما های پایین و متوسط استفاده می شود.

متداولترین و مناسب ترین RTD برای اکثر صنایع مانند نفت و گاز ، پتروشیمی و نیروگاهها، که قیمت و دقت قابل قبولی داشته باشد RTD سه سیمه PT 100  است.

ترمیستور

ترمیستور ها حسگر های دمایی مشابه RTD ها هستند که مقاومت آنها در اثر تغییر دما تغییر می کند. دو نوع ترمیستور وجود دارد:

ترمیستور NTC

ترمیستور PTC

مقاومت ترمیستور NTC با افزایش دما کاهش و مقاومت ترمیستور PTC  با افزایش دما افزایش می یابد.

ترمیستور NTC نسبت به ترمیستور PTC  بسیار حساس تر است .ترمیستور های NTC بیشتر از ترمیستور های PTC برای اندازه گیری دما استفاده می شوند.ترمیستورها یک جایگزین ارزان برای RTD ها در رنج دمایی زیر 150 درجه سانتی گراد می توانند باشند.ترمیستورها می توانند در رنج دمایی 80 تا 300 درجه سانتی گراد مورد استفاده قرار گیرند. ترمیستورها بسیار حساسند و تغییرات بسیار کوچک دما را می توانند حس کنند همچنین بسیار سریع هستند. به دلیل همین سرعت و حساسیت بالا ترمیستورها در کاربرد های کنترل دقیق دما و زمانی که تغییرات دمای بسیار کوچک باید حس شوند،استفاده می شوند. به دلیل مقاومت الکتریکی بزرگ ترمیستورها ، خطای ناشی از مقاومت سیم های ارتباطی قابل ملاحظه نسیت،بنابراین پل های 3 سیمه و 4 سیمه برای ترمیستورها استفاده نمی شود. ترمیستور های NTC از مواد نیمه هادی سرامیکی اکسید فلزاتی مانند ،نیکل ،منگنز،مس و روی و... ساخته می شوند. ترمیستور های PTC از سیلیسیوم ،باریوم ،قلع و... ساخته می شوند. تغییر در مقاومت ترمیستورها به دما بسیار غیر خطی است.

انواع المنت ترمیستور

معمول ترین نوع المنت ترمیستورها دانه تسبیحی و چیپستی هستند انواع دیگری نیز مانند واشری ،دیسکی و میله ای وجود دارند.