ترموکوپل

وقتی انتهای دو سیم که از فلزات مختلف تشکیل یافته اند به هم وصل شده و حرارت داده شود اختلاف پتانسیلی بین دو سیم بوجود خواهد آمد.

اختلاف پتانسیل بوجود آمده تابعی از دمای اتصال و جنس دو فلز خواهد بود از این پدیده در ترموکوپل ها برای اندازه گیری دما استفاده می شود . به عبارت دیگر ترموکوپل از دو سیم مختلف تشکیل یافته و ولتاژ ایجاد شده در اثر اختلاف دمای دو سر آن اندازه گیری می شود . ترموکوپل ها از فلزات مختلفی ساخته می شود و بر اساس نوع فلز استفاده شده نامهای مختلفی دارند . مثل ترموکوپل نوع J  که از فلزات آهن- کنستانتن تشکیل یافته یا ترموکوپل نوع T که از مس- کنستانتن تشکیل یافته است.

بر اساس تغییرات کم دما ، ولتاژ خروجی متناسب با دما است. ولی رابطه دما و ولتاژ تولیدی برای ترموکوپلهایی که برای بازه وسیعی از دما استفاده می شوند تا حدودی غیر خطی می باشد.

برای اندازه گیری دما توسط ترموکوپل ، اتصال اندازه گیری آن در محیط مورد نظر قرار داده میشود . اتصال اندازه گیری نقطه ای است که دو سیم فلزی بهم میرسند.

این دو سیم یا توسط لحیم و یا با جوشکاری به هم متصل می شوند. برای محافظت مکانیکی ترموکوپل ، دور سیم ها یک پوشش فلزی وجود دارد و فضای بین ترموکوپل و پوشش فلزی توسط سیمانی عایق پر شده است.

وقتی سیم ترموکوپل ها به هم لحیم می شوند یک فلز سوم به مدار ترموکوپل وارد می شود تا زمانی که دما در دو سمت فلز لحیم یکسان باشد وجود لحیم خطایی بوجود نمی آورد و فقط ماکزیمم دمای قابل اندازه گیری را کاهش می دهد. برای اندازه گیری دماهای بالا از ترموکوپل با اتصال جوش بالا استفاده می گردد. ترموکوپل ها دارای استحکام بیشتری نسبت به RTD ها و ترمیستور می باشند و دامنه اندازه گیری آنها بیشتر است. اما عمده ترین مزیت این وسایل ، محدوده  دمایی وسیع ، قیمت پایین و دوام مکانیکی بالای آنهاست. ولی متاسفانه این لوازم و اندازه گیری رفتار غیر خطی و حساسیت پایین دارند . همچنین در معرض ن آن اعتشاش الکتریکی نیازمند تنظیم نقطه مرجع می باشند.

RTD

مقاومت الکتریکی یک جسم ، با دمای آن رابطه دارد مقاومت الکتریکی بسیار از فلزات با افزایش دما افزایش و با کاهش دما کاهش می یابد.

به عبارت دیگر از یک RTD با اندازه گیری مقاومت یک فلز دمای آن تعیین می شود.

فلز مورد استفاده باید نقطه ذوب بالایی داشته باشد ودر مقابل خوردگی مقاوم باشد . پلاتین بهترین فلز برای استفاده در RTD می باشد. چون رابطه بین دما و مقاومت کاملاً خطی است. در مس نیز این رابطه خطی است ولی دامنه اندازه گیری آن کمتر از پلاتین می باشد.در صورت استفاده از نیکل حساسیت RTD بیشتر خواهد بود ولی برای دماهای بیشتر از 400 درجه رابطه به شدت غیر خطی خواهد بود. از تنگستن می توان برای اندازه گیری دماهای خیلی بالا استفاده نمود. اما بدلیل مشکلات ساخت و ناپایداری ویژگیهای آن، کمتر مورد استفاده قرار میگیرد.

RTD های استاندارد دارای مقاومت پلاتینی هستند که در دمای صفر درجه مقاومت آن 100 اهم است که به آن 100  PT  گفته می شود.

RTD ها دارای انواع دو، سه ، چهار سیم هستند که به ترتیب دقت بلاتری دارند.

ترمیستور

همانند RTD ، ترمیستور نیز یک مقاومت حساس به دما است و اصول عملکرد آن مشابه RTD می باشد . تقاوت آن با RTD در نوع مقاومت بکار رفته است. ترمیستورها معمولاً از مواد نیمه رسانا تشکیل شده اند.

ضریب دمایی یک مقاومت، درصد تغییرات مقاومت به ازای یک درجه تغییر در دما می باشد. بیشتر ترمیستورها دارای ضریب دمایی منفی می باشند. اگرچه ممکن است دارای ضریب دمایی مثبت نیز باشند. ضریب دمایی منفی به این معناست که مقاومت آنها با افزایش دما کاهش می یابد . ضریب دمایی می تواند به اندازه چندین درصد باشد که به مدار آشکار ساز اجازه تشخیص تغییرات جزئی در دما را می دهد. میتوان گفت ترمیستور حساسترین سنسور دما می باشد. تغییر مقاومت ترمیستور توسط مدار پل وتستون اندازه گیری می شود.

ترمیستورها دارای مقاومتهای بالایی نسبت به RTD ها می باشند. یک مقدار معمول برای مقاومت ترمیستورها 5000 اهم در 25 درجه سانتی گراد می باشد . درحالیکه این مقدار برای RTD ، 100 اهم می باشد. در نتیجه مقاومت سیمهای اتصال در مقایسه با مقاومت ترمیستور بسیار کوچک است و به همین دلیل سیم های اتصال خطایی در اندازه گیری بوجود نمی آورند و نیازی به آرایش های سه سیمه یا چهار سیمه برای اندازه گیری نمی باشد. ترمیستورها می توانند در اندازه های بسیار کوچک ساخته شوند بنابراین دارای پاسخ سریعتری نسبت به RTD ها می باشند.

این وسایل دارای خروجی کاملاً غیر خطی می باشند ودقت آنها کمتر از RTD ها می باشد. همچنین آنها شکننده تر از RTD و یا ترموکوپل هستند و باید دقت فراوانی در نصب آنها کرد. چون ترمیستورها نیمه رسانا هستند ، در دماهای بالا، درمقایسه با RTD و ترموکوپل زودتر خراب شده و عمر کوتاه تری دارند.

پدیده خود گرمایی در ترمیستورها حادتر از RTD ها می باشد. چرا که مقاومت الکتریکی آنها بسیار بشتر از RTD ها می باشد  و بنابراین عبور یک جریان مشخص حرارات بیشتری در آنها تولید می کند. اما ترمیستورها زمان پاسخ دهی کوتاهی دارند. مضاف بر این قیمت پایین و ابعاد کوچک از دیگر مشخصه های این نوع وسایل اندازه گیری به شمار میرود . ولی نسبت به تغییرات دما تغییرات بزرگی در مقاومت نشان میدهند. در ضمن غیر خطی هستند و برای عملکرد خود نیاز به منبع جریان دارند. محدوده دمایی پایین و عدم سهولت تنظیم از معایب آنها به شمار میرود.

پیرومترها

سنسورهایی که قبلاً به آنها اشاره شد در تماس مستقیم با سیال فرایندی، دما را اندازه گیری می کنند در مواردی تماس اندازه گیر با فرایند امکانپذیر نیست. مثلاً هنگامی که دمای آن بسیار بالاست بگونه ای که هرگونه تماس موجب ذوب شدن وخرابی اندازه گیری می شود و یا هنگامیکه فرایند دارای مواد زیانبار و مخرب است . نمونه های فراوانی از این گونه موارد را میتوان در صنایع ریخته گری ، فولاد ، صنایع چینی ، سرامیک و نیز صنایع شیمیایی پیدا کرد.

در حقیقت پیرومترها سنسورهای تشعشعی دمایی هستند که می توانند بدون تماس مستقیم با فرایند دما را اندازه گیری کنند . این سنسورها قادر به اندازه گیری دماهای بسیار بالا تا حد 4000 درجه سلسیوس می باشند. اصل فیزیکی مورد استفاده در اندازه گیری تشعشعی دما این است که اجسام دردماهای بالاتر از صفر مطلق از خود انرژی آزاد می کنند و این انرژی متناسب با توان چهارم دمای جسم میباشد. این انرژی بصورت امواج الکترومغناطیسی از بسته های کوچکی به نام فوتون تشکیل یافته است. سنسورهای تشعشعی دما، انرژِ تابشی اجسام را به شکل فوتون دریافت کرده و بر اساس آن دمای جسم را تعیین می کنند.

این وسایل اغلب می توانند دماهایی که ترموکوپل ها وترمومترهای مقاومتی قادر به اندازه گیری آن نیستند را اندازه بگیرند. همین طور دماسنجی محیط هایی که وسیله سنجش را معمولاً نتوان در تماس مستقیم با آن قرار داد ، مثل داخل کوره ها یا روی شعله و یا دمای اجسام متحرک، اجسامی که نصب ترموکوپل موجب خرابی آنها می شود و دمای متوسط سطوحی که توزیع دمایی دارند ، از جمله مزایای پیرومترها به شمار می روند. اما با این توصیف این وسایل معایبی هم دارند. به عنوان مثال قیمت بالاتر آنها نسبت به اغلب وسایل مذکور و نیاز به کالیبراسیون مجدد برای هر ماده خاص ، از موارد ضعف این وسایل می باشد. اطلاعات بیشتر در فایل متنی قابل پرینت وجود دارد.