ترمومتر چگونه کار می کند

طرز کار ترمومتر

ترمومتر یا دماسنج یکی از مهم ‌ترین تجهیزات اندازه‌گیری است که برای تعیین دمای بدن، محیط، سیالات، تجهیزات و فرایندهای صنعتی استفاده می ‌شود. کنترل دما در بسیاری از صنایع اهمیت زیادی دارد؛ زیرا افزایش یا کاهش غیرعادی آن می‌تواند کیفیت محصول، راندمان تجهیزات، ایمنی فرایند و طول عمر ماشین‌آلات را تحت تأثیر قرار دهد.

طرز کار ترمومتر به نوع سنسور و فناوری به ‌کاررفته در آن بستگی دارد. بعضی ترمومترها از انبساط مایع یا فلز استفاده می‌کنند، برخی تغییر مقاومت الکتریکی را اندازه می‌گیرند و گروه دیگری بدون تماس با جسم، تابش مادون قرمز منتشرشده از سطح آن را دریافت می ‌کنند.

با وجود تفاوت میان مدل‌های مختلف، عملکرد تمام ترمومترها بر یک اصل مشترک استوار است: یک ویژگی فیزیکی که با تغییر دما تغییر می‌کند، اندازه‌گیری و سپس به یک عدد، حرکت عقربه یا سیگنال الکتریکی تبدیل می‌شود.

اساس کار ترمومتر چیست؟

اساس کار ترمومتر، اندازه‌گیری یک خاصیت فیزیکی وابسته به دما است. برای مثال:

• مایعات با افزایش دما منبسط می‌شوند.
• فلزات مختلف ضریب انبساط متفاوتی دارند.
• فشار گاز در یک سیستم بسته با تغییر دما تغییر می‌کند.
• مقاومت الکتریکی فلزات و نیمه‌رساناها تابع دما است.
• اتصال دو فلز متفاوت می‌تواند بر اثر اختلاف دما ولتاژ تولید کند.
• تمام اجسام دارای دمای بالاتر از صفر مطلق، انرژی مادون قرمز منتشر می‌کنند.

بنابراین ترمومتر دما را به‌صورت مستقیم مشاهده نمی‌کند؛ بلکه تغییر ایجادشده در یک کمیت فیزیکی را دریافت کرده و بر اساس رابطه کالیبره‌شده میان آن کمیت و دما، مقدار نهایی را نمایش می‌دهد.

مراحل کلی عملکرد ترمومتر

با وجود تفاوت میان انواع دماسنج، عملکرد بیشتر ترمومترها را می‌توان در چند مرحله اصلی خلاصه کرد.

۱. تماس یا ارتباط سنسور با جسم

در ترمومترهای تماسی، بخش حساس به دما باید با جسم، سیال یا محیط مورد اندازه‌گیری تماس مناسبی داشته باشد. در ترمومترهای غیرتماسی، سنسور تابش منتشرشده از سطح جسم را دریافت می‌کند.

۲. دریافت تغییرات دما

عنصر حساس ترمومتر تحت تأثیر دمای جسم قرار می‌گیرد. این فرایند ممکن است باعث انبساط مایع، تغییر شکل فلز، تغییر فشار، تغییر مقاومت یا تولید ولتاژ شود.

۳. تبدیل تغییر فیزیکی به مقدار قابل اندازه‌گیری

تغییر ایجادشده باید به شکلی قابل خواندن تبدیل شود. این تبدیل ممکن است به‌صورت حرکت ستون مایع، چرخش عقربه یا ایجاد سیگنال الکتریکی انجام شود.

۴. پردازش یا انتقال مقدار

در ترمومترهای دیجیتال، مدار الکترونیکی سیگنال سنسور را تقویت، خطی‌سازی و پردازش می‌کند. در ترمومترهای صنعتی پیشرفته، این سیگنال می‌تواند به PLC، DCS یا نمایشگر کنترل منتقل شود.

۵. نمایش دما

مقدار نهایی دما روی صفحه مدرج، نمایشگر دیجیتال یا سیستم مانیتورینگ نشان داده می‌شود. واحد دما نیز معمولاً درجه سلسیوس، فارنهایت یا کلوین است.

انواع ترمومتر از نظر نحوه عملکرد

ترمومترها بر اساس فناوری اندازه ‌گیری به مدل‌های مختلفی تقسیم می‌شوند. مهم‌ترین انواع آن‌ها عبارت‌اند از:

طرز کار ترمومتر مایع در شیشه

ترمومتر مایع در شیشه یکی از ساده‌ترین و قدیمی‌ترین انواع دماسنج است. در قسمت پایینی آن یک مخزن کوچک حاوی مایع وجود دارد که به یک لوله مویین باریک متصل شده است.

با افزایش دما، مایع داخل مخزن منبسط می‌شود و درون لوله بالا می‌رود. با کاهش دما نیز حجم مایع کم شده و سطح آن پایین می‌آید. ارتفاع ستون مایع در مقابل درجه ‌بندی روی بدنه، مقدار دما را نشان می ‌دهد.

در گذشته از جیوه استفاده می‌شد، اما امروزه به دلیل مخاطرات زیست‌محیطی و ایمنی، در بسیاری از کاربردها از مایعات آلی، الکل رنگی یا ترکیبات جایگزین استفاده می‌شود.

مهم‌ترین اجزای این ترمومتر عبارت‌اند از:

• مخزن مایع
• لوله مویین
• مایع حساس به دما
• بدنه شیشه‌ ای
• مقیاس درجه ‌بندی ‌شده

مزیت این مدل، ساختار ساده و نداشتن قطعات مکانیکی فرسایشی است. با این ‌حال، شکنندگی شیشه، زمان پاسخ نسبتاً طولانی و محدودیت استفاده در اندازه‌ گیری‌های از راه دور از معایب آن محسوب می‌شوند. ترمومترهای مایع در شیشه بر پایه انبساط مایع با تغییر دما کار می‌ کنند.

طرز کار ترمومتر بی ‌متال

ترمومتر بی‌متال یا دوفلزی یکی از رایج‌ترین ترمومترهای عقربه‌ای صنعتی است. عنصر اصلی آن از دو فلز متفاوت تشکیل شده که به یکدیگر متصل شده‌اند.

این دو فلز دارای ضرایب انبساط حرارتی متفاوتی هستند. هنگامی که دما افزایش پیدا می‌کند، یکی از فلزها بیشتر از دیگری منبسط می‌شود. اختلاف انبساط باعث خم‌شدن یا چرخش مجموعه دوفلزی می‌شود.

در ترمومترهای صنعتی، نوار بی‌متال معمولاً به شکل مارپیچی یا حلزونی ساخته می‌شود. تغییر شکل این فنر به محور عقربه منتقل شده و عقربه روی صفحه مدرج حرکت می‌کند.

مراحل عملکرد ترمومتر بی ‌متال:

1. ساقه ترمومتر با سیال یا محیط تماس پیدا می ‌کند.
2. گرما به عنصر بی‌متال منتقل می‌شود.
3. دو فلز به میزان متفاوت منبسط می‌شوند.
4. فنر بی ‌متال می ‌چرخد یا تغییر شکل می‌ دهد.
5. حرکت فنر به محور عقربه منتقل می ‌شود.
6. عقربه مقدار دما را روی صفحه نشان می ‌دهد.

ترمومتر بی ‌متال به برق نیاز ندارد و به دلیل ساختار ساده، استحکام مناسب و خوانایی سریع، در تأسیسات حرارتی، دیگ‌ها، مخازن، لوله‌ها و ماشین‌آلات صنعتی استفاده می ‌شود. عملکرد آن بر اختلاف ضریب انبساط دو فلز و تبدیل تغییر شکل مکانیکی به حرکت عقربه استوار است.

طرز کار ترمومتر گازی

ترمومتر گازی یا بر اساس تغییر فشار گاز در اثر تغییر دما کار می‌کند. سیستم اندازه‌گیری این ترمومتر معمولاً از حباب یا ساقه حساس، لوله مویین و یک عنصر فشار مانند لوله بوردون تشکیل شده است.

تمام این مجموعه با یک گاز خنثی تحت فشار پر می‌شود. هنگامی که دمای بخش حساس افزایش پیدا می‌کند، فشار گاز داخل سیستم نیز تغییر می‌کند. این تغییر فشار باعث تغییر شکل لوله بوردون یا فنر اندازه‌گیری می‌شود.

حرکت ایجادشده از طریق مکانیزم داخلی به عقربه منتقل می‌شود و دما روی صفحه نمایش داده می‌شود.

اجزای اصلی ترمومتر گازی

• ساقه یا حباب اندازه‌گیری
• گاز خنثی تحت فشار
• لوله مویین
• لوله بوردون
• مکانیزم انتقال حرکت
• عقربه و صفحه مدرج

یکی از مزایای مهم ترمومتر گازی، امکان اندازه‌گیری دما از فاصله دور است. با استفاده از لوله مویین می‌توان سنسور را روی مخزن یا خط لوله نصب کرد و نمایشگر را در محل مناسب‌تری قرار داد.

در این ترمومترها تغییر دما موجب تغییر فشار گاز می‌شود و تغییر شکل فنر اندازه‌گیری، عقربه را حرکت می‌دهد. برخی مدل‌ها برای کاهش اثر دمای محیط بر محفظه نمایشگر، به جبران‌ساز بی‌متال مجهز می‌شوند.

طرز کار ترمومتر انبساطی

ترمومتر انبساطی از نظر ساختار به ترمومتر گازی شباهت دارد، اما سیستم آن به‌جای گاز با یک مایع مناسب مانند روغن سیلیکون یا مایع ترمومتریک پر می‌شود.

با افزایش دمای سنسور، مایع داخل سیستم منبسط می‌شود. انبساط مایع، فشار داخل سیستم بسته را تغییر می‌دهد و این فشار به عنصر اندازه‌گیری منتقل می‌شود. حرکت عنصر اندازه‌گیری نیز باعث چرخش عقربه می‌شود.

ترمومترهای انبساطی می‌توانند به‌صورت محلی یا دارای لوله مویین ساخته شوند. مدل‌های دارای کپیلاری برای مواقعی مناسب هستند که محل اندازه‌گیری دما با محل مشاهده نمایشگر فاصله دارد.

عملکرد ترمومتر انبساطی به خواص مایع پرکننده، حجم سیستم، دمای محیط و وضعیت لوله مویین وابسته است. به همین دلیل، خم‌شدن شدید یا آسیب‌دیدن کپیلاری می‌تواند موجب ایجاد خطا یا ازکارافتادن دستگاه شود.

طرز کار ترمومتر دیجیتال

ترمومتر دیجیتال به‌جای استفاده از حرکت مکانیکی، تغییرات الکتریکی یک سنسور دما را اندازه‌گیری می‌کند. این سنسور ممکن است از نوع ترمیستور، RTD، ترموکوپل یا حسگر نیمه‌رسانا باشد.

عملکرد کلی ترمومتر دیجیتال به این صورت است:

1. سنسور با محیط یا جسم موردنظر تماس پیدا می‌کند.
2. دما باعث تغییر مقاومت یا ولتاژ سنسور می‌شود.
3. مدار الکترونیکی سیگنال را دریافت می‌کند.
4. سیگنال تقویت و به مقدار دیجیتال تبدیل می‌شود.
5. پردازنده بر اساس منحنی کالیبراسیون، دما را محاسبه می‌کند.
6. نتیجه روی نمایشگر نشان داده می‌شود.

ترمومتر دیجیتال معمولاً سرعت خواندن، وضوح و قابلیت‌های بیشتری نسبت به مدل‌های مکانیکی دارد. ذخیره حداقل و حداکثر دما، ثبت داده، آلارم، انتخاب واحد و اتصال به کامپیوتر یا سیستم کنترل از جمله امکانات برخی مدل‌ها است.

طرز کار ترمومتر ترموکوپلی

ترموکوپل از اتصال دو فلز متفاوت ساخته می‌شود. هنگامی که محل اتصال اندازه‌گیری و محل مرجع دارای دماهای متفاوت باشند، ولتاژ بسیار کوچکی در مدار ایجاد می‌شود. این پدیده با عنوان اثر سیبک شناخته می‌شود.

مقدار ولتاژ تولیدشده به نوع فلزهای ترموکوپل و اختلاف دمای دو نقطه بستگی دارد. ترمومتر دیجیتال این ولتاژ را اندازه‌گیری کرده و با استفاده از جداول استاندارد و جبران اتصال سرد، آن را به دما تبدیل می‌ کند.

ترموکوپل‌ها در تیپ‌های مختلف مانند  K، J، T، N، R، S و B تولید می ‌شوند. هر تیپ دارای محدوده دمایی، حساسیت و مقاومت محیطی متفاوتی است.

مهم ‌ترین مزایای ترمومتر ترموکوپلی عبارت‌اند از:

• محدوده دمایی گسترده
• پاسخ‌گویی نسبتاً سریع
• ساختار مقاوم
• امکان استفاده در دماهای بالا
• مناسب‌بودن برای کوره و تجهیزات صنعتی

در مقابل، دقت آن در بسیاری از کاربردها از RTD کمتر است و نوع سیم رابط، اتصال‌ها و جبران دمای مرجع می‌توانند بر نتیجه اندازه‌گیری اثر بگذارند. در آزمایشگاه‌های کالیبراسیون، خروجی ترموکوپل به‌صورت ولتاژ الکتریکی اندازه‌گیری می‌شود.

طرز کار ترمومتر RTD

RTD  مخفف Resistance Temperature Detector است. عملکرد این سنسور بر تغییر مقاومت الکتریکی فلز با تغییر دما استوار است.

پلاتین متداول‌ترین ماده مورد استفاده در RTD است؛ زیرا رابطه مقاومت و دمای آن پایدار، تکرارپذیر و قابل پیش‌بینی است. سنسور PT100 یکی از معروف‌ترین انواع RTD محسوب می‌شود و مقاومت اسمی آن در دمای صفر درجه سلسیوس برابر با 100 اهم است.

با افزایش دما، مقاومت عنصر پلاتینی افزایش پیدا می‌کند. مدار اندازه‌گیری با عبور یک جریان کنترل‌شده، مقاومت سنسور را محاسبه کرده و آن را به دما تبدیل می‌کند.

RTDها ممکن است با آرایش دو سیمه، سه سیمه یا چهار سیمه متصل شوند. آرایش سه و چهار سیمه برای کاهش یا جبران اثر مقاومت کابل استفاده می‌شود.

مزایای ترمومتر RTD

• دقت مناسب
• پایداری بلندمدت
• تکرارپذیری مطلوب
• خطی‌بودن بیشتر نسبت به برخی سنسورها
• مناسب برای اندازه‌گیری دقیق صنعتی

RTD در صنایع غذایی، دارویی، نفت و گاز، آزمایشگاه‌ها، سیستم‌های تهویه و فرایندهایی که دقت و پایداری اهمیت دارند استفاده می‌شود. سنسورهای مقاومتی از روش اندازه ‌گیری مقاومت الکتریکی برای تعیین دما استفاده می ‌کنند.

طرز کار ترمومتر ترمیستوری

ترمیستور نوعی مقاومت نیمه ‌رسانا است که مقدار مقاومت آن با تغییر دما به ‌شدت تغییر می ‌کند. ترمیستورها معمولاً به دو گروه تقسیم می ‌شوند:

• NTC: مقاومت با افزایش دما کاهش پیدا می ‌کند.
• PTC: مقاومت با افزایش دما افزایش پیدا می ‌کند.

در بسیاری از ترمومترهای دیجیتال پزشکی و خانگی از ترمیستور NTC استفاده می ‌شود. مدار الکترونیکی مقاومت سنسور را اندازه‌گیری کرده و با استفاده از منحنی کالیبراسیون، دما را محاسبه می ‌کند.

ترمیستورها حساسیت بالایی دارند و می‌توانند تغییرات کوچک دما را تشخیص دهند. بااین‌حال، محدوده دمایی آن‌ها معمولاً محدودتر از ترموکوپل است و رفتار مقاومت آن‌ها نیز کاملاً خطی نیست.

طرز کار ترمومتر مادون قرمز

ترمومتر مادون قرمز یا لیزری بدون تماس مستقیم با جسم، دمای سطح آن را اندازه‌ گیری می ‌کند. تمام اجسامی که دمایی بالاتر از صفر مطلق دارند، انرژی الکترومغناطیسی منتشر می ‌کنند که بخشی از آن در محدوده مادون قرمز قرار دارد.

در ترمومتر  IR، یک لنز انرژی مادون قرمز منتشرشده از سطح جسم را جمع ‌آوری و روی آشکارساز متمرکز می ‌کند. آشکارساز این انرژی را به سیگنال الکتریکی تبدیل می ‌کند. مدار داخلی نیز با درنظرگرفتن شدت تابش، دمای محیط و ضریب گسیل سطح، دمای جسم را محاسبه می ‌کند.

مراحل عملکرد ترمومتر مادون قرمز

1. سطح جسم انرژی مادون قرمز منتشر می‌کند.
2. لنز دستگاه تابش را دریافت می‌کند.
3. انرژی روی آشکارساز متمرکز می‌شود.
4. آشکارساز تابش را به سیگنال الکتریکی تبدیل می‌کند.
5. پردازنده سیگنال را به مقدار دما تبدیل می‌کند.
6. دمای سطح روی نمایشگر نشان داده می‌شود.

لیزر موجود در بعضی مدل‌ها وظیفه اندازه‌گیری دما را بر عهده ندارد و فقط محل تقریبی هدف را مشخص می ‌کند.

ترمومتر مادون قرمز دمای سطح را اندازه‌ گیری می‌کند، نه لزوماً دمای داخل جسم. همچنین ضریب گسیل، فاصله تا هدف، اندازه سطح اندازه‌گیری، وجود بخار، گردوغبار و براق‌بودن سطح می‌ توانند بر نتیجه اثر بگذارند.

چه عواملی بر دقت ترمومتر اثر می‌گذارند؟

• نوع و کیفیت سنسور

هر فناوری دارای محدوده دما، دقت، حساسیت و پایداری مشخصی است. برای مثال RTD معمولاً برای اندازه‌گیری دقیق‌تر و ترموکوپل برای محدوده‌های دمایی گسترده‌تر انتخاب می‌شود.

• عمق نصب سنسور

کم‌بودن عمق ورود باعث می‌شود بخشی از گرما از ساقه به محیط منتقل شود و دمای نمایش‌داده‌شده با دمای واقعی فرایند اختلاف داشته باشد.

• زمان پاسخ

سنسور برای رسیدن به دمای جسم به زمان نیاز دارد. جرم سنسور، قطر غلاف، سرعت سیال، ترموول و نوع تماس بر زمان پاسخ اثر می‌گذارند.

• دمای محیط

دمای اطراف نمایشگر، کابل یا محفظه می‌تواند در بعضی ترمومترهای مکانیکی و الکترونیکی باعث ایجاد خطا شود.

• ارتعاش و ضربه

ارتعاش ممکن است به عقربه، مکانیزم داخلی، اتصالات سنسور یا سیم‌های ظریف RTD و ترموکوپل آسیب وارد کند.

• سیم ‌کشی نامناسب

در ترموکوپل‌ها استفاده از کابل نادرست و در RTDها مقاومت سیم رابط می‌تواند مقدار اندازه ‌گیری را تغییر دهد.

• انتقال حرارت نامناسب

وجود هوا میان سنسور و ترموول، رسوب روی سطح سنسور یا تماس ناقص با جسم باعث کندی پاسخ و خطا می‌شود.

• کالیبراسیون نامعتبر

تغییر مشخصات سنسور در طول زمان، شوک حرارتی، خوردگی و فرسودگی می‌تواند باعث انحراف اندازه‌گیری شود. به همین دلیل تجهیزات مهم باید در دوره‌های مشخص کالیبره یا صحت‌سنجی شوند.

• ضریب گسیل سطح

این عامل مخصوص ترمومترهای مادون قرمز است. سطوح براق و فلزی معمولاً اندازه ‌گیری دشوارتری دارند و تنظیم نادرست Emissivity می‌تواند خطای قابل ‌توجهی ایجاد کند.

چرا ترمومتر دمای اشتباه نشان می‌دهد؟

دلایل نمایش دمای اشتباه به نوع ترمومتر بستگی دارد، اما مهم‌ ترین موارد عبارت‌ اند از:

• سنسور به‌اندازه کافی داخل فرایند قرار نگرفته است.
• ترمومتر هنوز به تعادل حرارتی نرسیده است.
• سنسور یا ساقه با محیط تماس مناسبی ندارد.
• ترموول بیش از حد ضخیم یا نامتناسب است.
• میان سنسور و ترموول فاصله هوایی وجود دارد.
• دمای محیط روی بدنه ترمومتر اثر گذاشته است.
• عقربه یا مکانیزم داخلی آسیب دیده است.
• کپیلاری خم، له یا سوراخ شده است.
• سیم ‌کشی RTD یا ترموکوپل اشتباه است.
• نوع ترموکوپل در نمایشگر درست انتخاب نشده است.
• جبران اتصال سرد ترموکوپل مشکل دارد.
• مقاومت کابل در سنسور RTD جبران نشده است.
• ضریب گسیل ترمومتر مادون قرمز اشتباه تنظیم شده است.
• فاصله دستگاه مادون قرمز تا هدف بیش از حد زیاد است.
• ترمومتر از کالیبراسیون خارج شده است.

روش بررسی عملکرد صحیح ترمومتر

برای بررسی اولیه ترمومتر می‌توان مراحل زیر را انجام داد:

1. ظاهر بدنه، صفحه، عقربه و ساقه بررسی شود.
2. محل نصب و عمق ورود سنسور کنترل شود.
3. از تماس مناسب سنسور با فرایند اطمینان حاصل شود.
4. ترموول از نظر رسوب، خوردگی و فاصله داخلی بررسی شود.
5. سیم‌کشی RTD یا ترموکوپل کنترل شود.
6. نوع سنسور تعریف‌شده در نمایشگر بررسی شود.
7. مقدار دما با یک ترمومتر مرجع مقایسه شود.
8. ترمومتر در چند نقطه دمایی آزمایش شود.
9. زمان پاسخ دستگاه مورد ارزیابی قرار گیرد.
10. در صورت وجود اختلاف غیرمجاز، دستگاه کالیبره یا تعویض شود.