تجهیزات اندازه گیری دما
واحد های اندازه گیری دما چیست ؟
- C_درجه سلسیوس یا سانتیگراد
- F_درجه فارنهایت
- K_درجه کلوین
- R_درجه رانکین
ارتباط واحد های اندازه گیری دما
- C=(F-32)1.8
- F=1.8 C+32
- K=C+273.15
- 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.
دقت ترمیستور
عدم دقت و خطا در ترمیستورها بصورت کلی 0.006 تا 0.6 درجه سانتی گراد و اگر کالیبره شوند برابر با 0.003 درجه سانتی گراد است.
مقایسه عملکرد خطی
نمودار زیر نشان می دهد که RTD خطی ترین دستگاه اندازه گیری دما در مقایسه با ترموکوپل و ترمیستور است. به همین دلیل از RTD ها در لوپ های کنترلی به عنوان ترانسمیتر های دما برای ارسال سیگنال آنالوگ (4 تا 20 میلی آمپر) به سیستم کنترل استفاده می شود.
دماسنج های بی متال
حجم فلزات با تغییر دما تغییر می کند و ضریب این تغییر ، از فلزی به فلز دیگر فرق دارد.
این مبنای عملکرد دماسنج های بی متال است. اگر دو نوار صاف فلزی به یکدیگر متصل و محکم شوند و حرارت ببینند ،مجموعه آنها به سمت فلزی که نرخ انبساط کمتری دارد خم می شود. این خم شدن و حرکت می تواند با درست کردن نوارهای تابیده شده بصورت حلزونی یا مارپیچ،تشدید شود.
دماسنج های بی متال بطور معمول جهت نمایش محلی دما به عنوان گیج دما استفاده می شوند.بیمتال مارپیچ بصورت محوری،با سرما و گرما بالا و پایین می رود.این حرکت باعث حرکت محوری عقربه که به انتهای بیمتال مارپیچ متصل است، می شود.
دماسنج های بی متال ، همچنین می توانند به عنوان سوییچ دما که در آن حرکت نوار مارپیچ در یک نقطه مشخص،که نمایان کننده یک دمای مشخص است، کنتاکت یک سوییچ را باز یا بسته می کند، استفاده شود. در برخی از موارد می توانیم گیج – سوییچ دما ، که دارای دو عملکرد فوق الذکر بصورت یکجا است استفاده کنیم.این دستگاه مانند گیج دما ،دما را نمایش می دهد و یک سوییچ قابل تنظیم روی دمای مورد نیاز دارد.
نقطه قوت دماسنج های بی متال ارزانی و سادگی آنهاست. نقطه ضعف دماسنج های بی متال این است که ممکن است در شرایط سخت ،تنظیم و کالیبره بودن خود را از دست بدهند.
دقت دما سنج های بی متال
طبق استاندارد 4،ASME B.40.200 درجه دقت برای دماسنج های بی متال تعریق شده است :
درجه های دقت D-C-B-A- و AA .
دقت درجه A برابر با +-1% رنج اندازه گیری است.
دماسنج های پر شده
ابتدایی ترین دماسنج پر شده ، دماسنج طبی است که شامل یک حباب شیشه ای پر شده با الکل یا جیوه و یک لوله شیشه ای مدرج است. زمانی که دمای حباب شیشه ای بالا می رود ،مایع داخل حباب منبسط می شود و در لوله مدرج بالا می رود. دماسنج های پر شده صنعتی مشابه گیج های فشار هستند که بوسیله یک تیوب با سوراخ کوچک به یک حباب پرشده وصل شده است.حباب می تواند با مایع ،گاز یا بخار پرشود.
دسته بندی دماسنج های پرشده
دماسنج های پر شده بر اساس ماده ای که با آن پر شده اند دسته بندی می شوند.
کلاس 1 – پرشده با مایع
کلاس 2 – پرشده با بخار
کلاس 3 – پر شده با گاز
توجه کنید که دماسنج های پر شده با جیوه به دلیل خطرات آن برای سلامتی و ملاحظات زیست محیطی، دیگر استفاده نمی شوند.جدول زیر یک مقایسه خوب از کلاسهای مختلف دماسنج های پر شده اراء می دهد:
یک مورد که در مورد دماسنج های پرشده که باید مورد توجه قرارگیرد ،پاسخ زمانی آنهاست.
پاسخ زمانی دماسنج های پر شده به ماده پرشده ،شکل حباب ،قطر لوله ،یا تیوب و...آنها بستگی دارد.
دماسنج های پر شده با گاز و بخار نسبت به دماسنج های پر شده با مایع پاسخ زمانی سریعتری دارند.
پاسخ زمانی با دو برابر کردن قطر حباب ، دو برابر می شود.همچنین اگر حباب داخل ترموول قرار گیرد ،پاسخ زمانی طولانی تر می شود.
دماسنج پرشده با مایع
مایعی که این نوع دماسنج ها با آن پر می شوند،معمولا زایلین C8H10 است که یک هیدروکربن خنثی است.فشار سیستم این دماسنج ها باید از فشار بخار شوندگی مایع پر کننده بیشتر باشد تا از بوجود آمدن حباب در لوله یا تیوب ارتباطی جلوگیری شود.رنج پایین این دماسنج با توجه به نقطه انجماد مایع پر کننده و رنج بالای آن بر اساس دمایی که آن مایع دیگر در آن دما پایدار نیست، تعیین شود.
محافظت عبور از رنج دماسنج های پر شده با مایع معمولا 100% رنج اندازه گیری است.
دماسنج های پرشده با بخار
در این نوع از دماسنج ،حباب و لوله ارتباطی ،هم با مایع و هم با بخار ،پر شده است.فشار سیستم این دماسنج تابع فشار بخارشوندگی ماده پرکننده در دمای فرآیند است.معمولا سیالهای زیر به عنوان ماده پر کننده استفاده می شوند:
متیل کلراید-دی اکسید سولفور-بوتان-پروپان-هگزان-متیل اتر-اتیل کلراید-اتیل اتر-اتیل الکل-کلرو بنزن.
برای رنج های دمایی پایین اتان با فشار بخارشوندگی 1.4 تا 41 بار در رنج دمایی 73- تا 29 درجه سانتی گراد و برای رنج های دمایی بالا اتیل کلراید با همان فشار بخار شوندگی ، اما در رنج دمایی 38 تا 177 درجه سانتی گراد می توانند استفاده شوند.بالاترین دما به نقطه بحرانی سیال پر کننده محدود می شود و پایین ترین دما در نتیجه کاهش حساسیت خواندن دما زمانی که تغییرات فشار بخار شوندگی نسبت به تغییرات واحد دما در دما های پایین بسیار کم است ،متناسب با آن ماده تعیین می گردد.
دماسنج های پر شده با گاز
مبنای عملکرد این دماسنج ها به این صورت است که فشار گاز کامل محدوده شده در حجم ثابت متناسب با دمای مطلق آن است. گازهای استفاده شده در این دماسنج ها گاز کامل نیستند اما اختلاف به قدری کم است که از اندازه گیری فشار می توان به دما دست پیدا کرد.نیتروژن متداول ترین گاز برای دماسنج های پر شده با گاز است ،زیرا صرفه اقتصادی دارد و ازرزان است اما برای دماهای پایین هلیم بهتر است.
دماسنج های مادون قرمز
فیزیکدانان دریافتند که حرارت به عنوان شکلی از انرژی از ماده ای به ماده دیگر منتقل می شود،زیرا انرژی جنبشی یا حرارتی می خواهد به تعادل برسد.تابش یکی از مهم ترین راه های انتقال حرارت است. زمین انرژی خورشید را از طریق تابش دریافت می کند.
دماسنج مادون قرمز دارای یک سیستم نوری شامل لنز فیلتر و حسگر می باشد.این سیستم نوری انرژی مادون قرمز تابش شده از جسم را دریافت و بعد از عبور از یک فبلتر آن را روی حسگر متمرکز می کند.
حسگر انرژی دریافتی را به سیگنال الکتریکی که مشخص کننده دما است تبدیل می کنند. کاربرد های دماسنج مادون قرمز برای دما سنجی غیر تماسی و قابل حمل است.ودقت آن 0.05 تا 2% مقدار خوانده شده است.
ترموول
المنت تجهیزات اندازه گیری دما داخل ترموول نصب می شود تا در مقابل خوردگی و آسیب های مکانیکی محافظت شوند. همچنین ترموول این امکان را می دهد که المنت اندازه گیری دما به منظور کالیبراسیون یا تعمیر در زمان تولید یا بهره برداری بدون خالی کردن لوله یا مخزن ،باز شود. اتصال ترموول به تجهیزات فرآیندی می تواند به صورت فلنجی ،ون استون و یا رزوه ای باشد.اتصال جوشی به دلیل ثابت بودن توصیه نمی شود.اتصال ون استون نوعی از اتصال فلنجی است که در آن فلنج آزاد است و به ترموول جوش داده نشده است.
این طراحی این مزیت را به دنبال دارد که یک ترموول می تواند برای کلاس های مختلف فلنج 150-300-600 استفاده شود اما با پیچ های بلند تر از استاندارد.در برخی از صنایع مانند نفت و گاز فلنج 1.5 اینچی با حداقل کلاس 300 به عنوان اتصال قابل قبول در مدارک مشخصات فنی مرجع عنوان شده است و اتصال رزوه ای منع گردیده.
برای انتخاب ماده سازنده ترموول ،دما و خوردگی فرآیند باید مورد توجه قرار گیرند در غیر این صورت ترموول تخریب شده و می تواند نقطه ضعف و نشتی شبکه شود.
ساختار ترموول
ساختار های ساقه ترموول عبارتند از :
مخروطی
مستقیم
پله ای
استانداردASME B40.9 جزییات و ابعاد ترموول استاندارد را مشخص کرده است.
به منظور کاهش تاخیر زمانی و خطای اندازه گیری لازم است نوک ترموول در محل یک سوم خط میانی لوله قرار گیرد. ابعاد پیشنهادی برای ترموول فلنجی
ابعاد ترموول رزوه ای
