اندازهگیری دما یکی از مهمترین پارامترهای کنترلی در فرآیندهای صنعتی، آزمایشگاهی و تأسیساتی است. تقریباً در تمامی صنایع از جمله نفت، گاز، پتروشیمی، پالایشگاهها، نیروگاهها، صنایع فولاد، سیمان، غذایی، دارویی، خودروسازی، آب و فاضلاب، معادن و صنایع شیمیایی، کنترل دقیق دما نقش مهمی در افزایش راندمان، بهبود کیفیت محصول، حفظ ایمنی تجهیزات و کاهش هزینههای بهرهبرداری دارد. به همین دلیل، تجهیزات اندازهگیری دما به عنوان یکی از اصلیترین شاخههای ابزار دقیق شناخته میشوند.
این تجهیزات با توجه به نوع فرآیند، محدوده دمایی، دقت مورد نیاز، شرایط محیطی و نوع سیال انتخاب میشوند. برخی از سنسورها به صورت تماسی دما را اندازهگیری میکنند و برخی دیگر بدون تماس و با استفاده از انرژی مادون قرمز، دمای اجسام را اندازهگیری میکنند. انتخاب صحیح هر تجهیز علاوه بر افزایش دقت اندازهگیری، موجب افزایش طول عمر تجهیزات، کاهش خطاهای فرآیندی و بهبود عملکرد سیستمهای کنترل خواهد شد.
مهمترین تجهیزات اندازهگیری دما عبارتاند از:
در ادامه با هر یک از این تجهیزات، نحوه عملکرد، انواع، مشخصات فنی، کاربردها و مزایای آنها آشنا میشویم.
ترموکوپل یکی از رایجترین و پرکاربردترین سنسورهای اندازهگیری دما در صنایع مختلف است که بر اساس اثر سیبک (Seebeck Effect) عمل میکند. این سنسور از اتصال دو فلز غیرهمجنس تشکیل شده است که در اثر اختلاف دما، ولتاژ بسیار کوچکی تولید میکنند. سپس این ولتاژ توسط نمایشگر یا ترانسمیتر دما به مقدار واقعی دما تبدیل میشود.
به دلیل مقاومت بالا در برابر لرزش، تحمل دماهای بسیار زیاد، سرعت پاسخدهی بالا و قیمت مناسب، ترموکوپل در صنایع سنگین بیشترین کاربرد را دارد.
ترموکوپلها بر اساس جنس آلیاژ به انواع مختلف تقسیم میشوند.
غلاف ترموکوپل معمولاً از متریالهای زیر ساخته میشود.
بسته به نوع ترموکوپل از 200- تا 1800 درجه سانتیگراد.
در صورت نصب ترانسمیتر
ترموکوپلها سرعت پاسخ بسیار بالایی دارند و در برابر شوکهای مکانیکی و ارتعاش مقاوم هستند. همچنین قابلیت اندازهگیری دماهای بسیار بالا، قیمت مناسب، نصب آسان و سازگاری با انواع کنترلرها و PLCها از مهمترین مزایای آنها محسوب میشود.
RTD یا سنسور مقاومتی دما یکی از دقیقترین تجهیزات اندازهگیری دما است که بر اساس تغییر مقاومت الکتریکی فلزات در اثر تغییر دما کار میکند. در این سنسورها معمولاً از عنصر پلاتینی استفاده میشود، زیرا پلاتین دارای پایداری، دقت و خطی بودن بسیار بالایی است. به همین دلیل RTD در فرآیندهایی که دقت اندازهگیری اهمیت زیادی دارد، گزینهای ایدهآل محسوب میشود.
در مقایسه با ترموکوپل، RTD دقت بیشتری دارد، اما محدوده دمایی آن کمتر است و سرعت پاسخدهی نسبتاً پایینتری دارد.
رایجترین سنسور RTD که مقاومت آن در دمای صفر درجه برابر 100 اهم است.
مقاومت اولیه 500 اهم داشته و در برخی تجهیزات اندازهگیری استفاده میشود.
مقاومت اولیه 1000 اهم دارد و به دلیل حساسیت بالاتر، در کابلهای طولانی عملکرد بهتری ارائه میدهد.
استفاده از مدل چهار سیمه بیشترین دقت را فراهم میکند، زیرا اثر مقاومت کابل را حذف میکند.
تقریباً از 200- تا 850 درجه سانتیگراد.
خروجی اصلی RTD مقاومت الکتریکی (Ω) است.
در صورت اتصال به ترانسمیتر:
RTD به دلیل دقت بسیار بالا، پایداری طولانیمدت، خطی بودن مناسب، تکرارپذیری عالی و مقاومت در برابر تغییرات محیطی، یکی از بهترین گزینهها برای اندازهگیری دقیق دما محسوب میشود. همچنین این سنسور در فرآیندهایی که نیاز به کنترل دقیق دما وجود دارد، عملکرد بسیار مطلوبی ارائه میدهد و به همین دلیل در صنایع حساس کاربرد گستردهای دارد.
ترمیستور (Thermistor) یکی از دقیقترین سنسورهای اندازهگیری دما است که عملکرد آن بر پایه تغییر مقاومت الکتریکی در اثر تغییر دما انجام میشود. واژه Thermistor از ترکیب دو کلمه Thermal و Resistor گرفته شده و به مقاومت حساس به دما اشاره دارد. برخلاف RTD که معمولاً از فلز پلاتین ساخته میشود، ترمیستورها از مواد نیمههادی تولید میشوند و به همین دلیل نسبت به تغییرات دما حساسیت بسیار بالایی دارند.
ترمیستورها به دلیل سرعت پاسخ بالا، ابعاد کوچک، دقت زیاد و قیمت مناسب، در تجهیزات پزشکی، لوازم خانگی، صنایع الکترونیک، سیستمهای تهویه، خودروها، باتریها، تجهیزات آزمایشگاهی و دستگاههای اندازهگیری کاربرد گستردهای دارند. البته محدوده دمای کاری آنها نسبت به ترموکوپل و RTD محدودتر است.
ترمیستورها بر اساس نحوه تغییر مقاومت به دو گروه اصلی تقسیم میشوند.
در این نوع، با افزایش دما مقاومت الکتریکی کاهش پیدا میکند. این مدل رایجترین نوع ترمیستور بوده و در اندازهگیری دما و جبرانسازی حرارتی استفاده میشود.
در این مدل با افزایش دما، مقاومت نیز افزایش مییابد. این نوع بیشتر برای حفاظت تجهیزات الکتریکی، محدود کردن جریان و حفاظت موتورهای الکتریکی کاربرد دارد.
ترمیستورها معمولاً از اکسید فلزات نیمههادی تولید میشوند.
بسته به مدل و کاربرد، دقت ترمیستور معمولاً بین ±0.1 تا ±1 درجه سانتیگراد است.
برخی مدلهای صنعتی تا حدود 300 درجه سانتیگراد نیز قابل استفاده هستند.
ترمیستورها به دلیل حساسیت بسیار بالا، ابعاد کوچک، سرعت پاسخ سریع، قیمت اقتصادی و دقت مناسب، یکی از بهترین گزینهها برای اندازهگیری دما در محدودههای پایین و متوسط هستند. همچنین مصرف انرژی کم، نصب آسان و قابلیت استفاده در مدارهای الکترونیکی از دیگر مزایای این سنسور به شمار میرود.
ترانسمیتر دما یکی از مهمترین تجهیزات ابزار دقیق است که وظیفه تبدیل سیگنال خام سنسورهای دما مانند ترموکوپل و RTD را به سیگنال استاندارد قابل استفاده برای PLC، DCS، اسکادا و سیستمهای کنترل صنعتی بر عهده دارد. این تجهیز علاوه بر افزایش دقت اندازهگیری، موجب کاهش نویز، جبران افت ولتاژ در کابلهای طولانی و انتقال مطمئن اطلاعات دما به اتاق کنترل میشود.
ترانسمیترهای دما در صنایع نفت، گاز، پتروشیمی، نیروگاهها، صنایع فولاد، غذایی، دارویی، شیمیایی، آب و فاضلاب و خطوط تولید به طور گسترده مورد استفاده قرار میگیرند.
این مدل داخل هد سنسور نصب میشود و رایجترین نوع ترانسمیتر دما است.
بر روی ریل DIN داخل تابلوهای برق نصب میشود و بیشتر در سیستمهای کنترلی کاربرد دارد.
دارای بدنه صنعتی مقاوم بوده و برای نصب مستقیم در محیطهای صنعتی طراحی شده است.
دارای قابلیت برنامهریزی، کالیبراسیون دیجیتال و ارتباط با پروتکلهای صنعتی است.
بسته به مدل، دقت ترانسمیترها معمولاً بین ±0.05% تا ±0.2% از مقدار اندازهگیری است.
ترانسمیتر دما سیگنال خروجی سنسور را دریافت کرده، آن را تقویت و خطیسازی میکند و سپس به سیگنال استاندارد صنعتی تبدیل میکند. این فرآیند باعث انتقال دقیق اطلاعات دما حتی در فواصل طولانی و محیطهای دارای نویز الکتریکی میشود.
ترانسمیتر دما با تبدیل سیگنال سنسور به خروجی استاندارد صنعتی، دقت اندازهگیری را افزایش داده و اثر نویز و افت سیگنال را به حداقل میرساند. همچنین امکان ارتباط با سیستمهای PLC و DCS، پشتیبانی از پروتکلهای ارتباطی مختلف، قابلیت برنامهریزی، کالیبراسیون آسان و عملکرد پایدار در محیطهای صنعتی، از مهمترین مزایای این تجهیز محسوب میشود.
در زمان خرید ترانسمیتر دما باید به نوع سنسور ورودی (RTD یا ترموکوپل)، محدوده اندازهگیری، دقت، نوع خروجی، پروتکل ارتباطی، ولتاژ تغذیه، کلاس حفاظتی IP، گواهینامه ضد انفجار، دمای محیط، متریال بدنه، برند سازنده و گواهی کالیبراسیون توجه شود. انتخاب صحیح این مشخصات موجب افزایش دقت، پایداری و طول عمر سیستم اندازهگیری خواهد شد.
پایرومتر یا دماسنج نوری یکی از تجهیزات پیشرفته اندازهگیری دما است که بدون تماس مستقیم با جسم، دمای سطوح بسیار داغ را اندازهگیری میکند. این دستگاه با دریافت انرژی مادون قرمز یا تابش حرارتی ساطعشده از سطح جسم، دمای آن را محاسبه میکند. از آنجایی که در بسیاری از فرآیندهای صنعتی امکان تماس مستقیم با قطعات داغ وجود ندارد، پایرومتر بهترین گزینه برای اندازهگیری دمای کورهها، فلزات مذاب، شیشه، سرامیک، خطوط نورد، صنایع فولاد و تجهیزات با دمای بسیار بالا محسوب میشود.
پایرومترها علاوه بر اندازهگیری سریع و دقیق، ایمنی اپراتور را افزایش داده و امکان کنترل فرآیند را بدون توقف تولید فراهم میکنند. همچنین این تجهیزات در سیستمهای اتوماسیون صنعتی و خطوط تولید پیوسته نقش مهمی در کنترل کیفیت محصولات دارند.
پایرومترها بر اساس فناوری اندازهگیری به انواع مختلفی تقسیم میشوند.
این مدل با مقایسه شدت نور جسم با یک منبع نور مرجع، دمای اجسام بسیار داغ را اندازهگیری میکند و بیشتر در صنایع فولاد و ذوب فلزات مورد استفاده قرار میگیرد.
رایجترین نوع پایرومتر است که انرژی مادون قرمز منتشر شده از سطح جسم را دریافت کرده و دما را محاسبه میکند.
اندازهگیری دما بر اساس یک طول موج مشخص انجام میشود و برای اجسام با ضریب گسیل ثابت مناسب است.
این مدل از دو طول موج مختلف استفاده میکند و برای محیطهای دارای گردوغبار، دود یا تغییرات ضریب گسیل دقت بالاتری دارد.
برای اندازهگیری دما در نقاطی که فضای نصب محدود است یا میدان مغناطیسی شدید وجود دارد استفاده میشود.
بسته به مدل دستگاه، محدوده اندازهگیری میتواند از حدود 50- تا بیش از 3000 درجه سانتیگراد باشد.
بیشتر پایرومترهای صنعتی دارای دقتی در حدود ±0.5% تا ±1% از مقدار اندازهگیری هستند و در مدلهای آزمایشگاهی این مقدار میتواند کمتر نیز باشد.
یکی از مهمترین پارامترهای پایرومتر، ضریب گسیل سطح جسم است. هر ماده میزان متفاوتی از انرژی مادون قرمز را منتشر میکند؛ بنابراین تنظیم صحیح ضریب گسیل باعث افزایش دقت اندازهگیری خواهد شد. بسیاری از پایرومترهای صنعتی امکان تنظیم Emissivity از 0.10 تا 1.00 را دارند.
پایرومترها با خروجیهای مختلف عرضه میشوند.
پایرومتر بدون تماس مستقیم با جسم، دمای سطوح بسیار داغ را با سرعت بالا اندازهگیری میکند. همچنین امکان اندازهگیری اجسام متحرک، کاهش خطر برای اپراتور، دقت مناسب، عمر طولانی، قابلیت اتصال به سیستمهای کنترل و مقاومت در شرایط سخت صنعتی، از مهمترین مزایای این تجهیز محسوب میشود.
در زمان خرید پایرومتر باید به محدوده دمای اندازهگیری، دقت، فاصله اندازهگیری، نسبت اپتیکی (Distance to Spot Ratio)، قابلیت تنظیم ضریب گسیل، نوع خروجی، کلاس حفاظتی، زمان پاسخ، دمای محیط، نوع نمایشگر، استانداردهای ساخت و برند تولیدکننده توجه شود.
دماسنج مادون قرمز یا ترمومتر لیزری یکی از تجهیزات اندازهگیری دما است که بدون تماس مستقیم با جسم، دمای سطح آن را اندازهگیری میکند. این دستگاه با دریافت تابش مادون قرمز منتشر شده از سطح اجسام، دمای آنها را محاسبه کرده و در مدت زمان بسیار کوتاهی نتیجه را نمایش میدهد. به همین دلیل، برای اندازهگیری دمای تجهیزات در حال حرکت، قطعات برقدار، سطوح بسیار داغ یا مکانهایی که دسترسی مستقیم به آنها دشوار است، انتخابی ایدهآل به شمار میرود.
این تجهیزات علاوه بر صنایع مختلف، در تعمیرات، نگهداری، سیستمهای تهویه، صنایع غذایی، پزشکی، برق، خودروسازی و حتی مصارف خانگی نیز کاربرد گستردهای دارند.
رایجترین مدل که برای تعمیرات، نگهداری و استفاده روزمره طراحی شده است.
بهصورت دائمی روی تجهیزات یا خطوط تولید نصب میشود و اطلاعات را به سیستم کنترل ارسال میکند.
دارای دقت بیشتر، مقاومت بالاتر و قابلیت ارتباط با PLC و DCS است.
برای اندازهگیری دمای بدن از طریق پیشانی یا گوش مورد استفاده قرار میگیرد.
بسته به مدل دستگاه، محدوده اندازهگیری معمولاً بین 50- تا 1200 درجه سانتیگراد است و در مدلهای صنعتی میتواند بیشتر نیز باشد.
یکی از مهمترین مشخصات این تجهیزات، نسبت فاصله به قطر نقطه اندازهگیری است.
نمونههای رایج:
هرچه این نسبت بزرگتر باشد، دستگاه از فاصله بیشتر میتواند دمای نقطه کوچکتری را با دقت اندازهگیری کند.
معمولاً بین ±1 تا ±2 درجه سانتیگراد یا ±1 درصد از مقدار اندازهگیری، بسته به مدل و شرایط کاری.
بیشتر مدلهای صنعتی دارای زمان پاسخ کمتر از 500 میلیثانیه هستند.
دماسنج مادون قرمز امکان اندازهگیری سریع، بدون تماس و ایمن را فراهم میکند. همچنین استفاده آسان، قابلیت حمل، سرعت پاسخ بالا، عدم تأثیر بر فرآیند، مناسب بودن برای اجسام متحرک یا برقدار و کاهش خطرات ناشی از تماس مستقیم، از مهمترین مزایای این دستگاه است.
در هنگام انتخاب دماسنج مادون قرمز باید به محدوده اندازهگیری، دقت، نسبت فاصله به نقطه (D:S)، قابلیت تنظیم ضریب گسیل، زمان پاسخ، نوع نمایشگر، حافظه داخلی، کلاس حفاظتی، نوع تغذیه، قابلیت ثبت اطلاعات، نوع خروجی و برند تولیدکننده توجه شود. همچنین اگر دستگاه برای کاربردهای صنعتی یا فرآیندهای حساس انتخاب میشود، بهتر است مدلهایی با امکان اتصال به سیستمهای کنترل، خروجی استاندارد صنعتی و گواهی کالیبراسیون معتبر انتخاب شوند.
ترمومتر مایع در شیشه یکی از قدیمیترین و در عین حال دقیقترین ابزارهای اندازهگیری دما است که بدون نیاز به برق یا منبع تغذیه، دمای سیالات، گازها و محیط را اندازهگیری میکند. عملکرد این دماسنج بر اساس انبساط و انقباض مایع داخل لوله شیشهای در اثر تغییر دما است. با افزایش دما، حجم مایع افزایش یافته و درون لوله موئین بالا میرود و با کاهش دما، سطح مایع پایین میآید. مقدار دما نیز از روی درجهبندی حکشده روی بدنه قابل مشاهده است.
به دلیل سادگی ساختار، پایداری، دقت مناسب و عدم نیاز به تجهیزات الکترونیکی، ترمومترهای مایع در شیشه همچنان در آزمایشگاهها، صنایع غذایی، دارویی، سیستمهای گرمایشی، صنایع شیمیایی، مراکز تحقیقاتی و برخی فرآیندهای صنعتی مورد استفاده قرار میگیرند.
در این مدل از الکل رنگی به عنوان مایع اندازهگیری استفاده میشود. این نوع برای دماهای پایین مناسب بوده و به دلیل ایمنی بیشتر، جایگزین مناسبی برای مدلهای جیوهای محسوب میشود.
در گذشته رایجترین نوع دماسنج بود که از جیوه به عنوان سیال اندازهگیری استفاده میکرد. این مدل دقت بسیار بالایی دارد، اما به دلیل خطرات زیستمحیطی و سمیت جیوه، امروزه استفاده از آن در بسیاری از کشورها محدود شده است.
برای اندازهگیری دماهای پایین و کاربردهای آزمایشگاهی مورد استفاده قرار میگیرد.
در برخی فرآیندهای صنعتی و آزمایشگاهی که محدوده دمایی بالاتری مورد نیاز است، از مایعات روغنی مخصوص استفاده میشود.
ترمومترهای صنعتی معمولاً دارای دقتی بین
هستند و مدلهای آزمایشگاهی میتوانند دقت بیشتری نیز داشته باشند.
بسته به نوع مایع داخل ترمومتر، محدوده اندازهگیری میتواند از حدود 100- تا 350+ درجه سانتیگراد باشد.
با تغییر دمای محیط یا سیال، مایع داخل مخزن شیشهای منبسط یا منقبض میشود. سپس تغییر حجم مایع باعث حرکت آن در لوله موئین شده و مقدار دما روی درجهبندی حکشده قابل مشاهده خواهد بود. از آنجایی که این فرآیند کاملاً مکانیکی است، ترمومترهای مایع در شیشه به برق یا تجهیزات الکترونیکی نیاز ندارند.
ترمومترهای مایع در شیشه به دلیل ساختار ساده، دقت مناسب، عدم نیاز به برق، هزینه نگهداری پایین، طول عمر زیاد و مقاومت در برابر نویزهای الکترومغناطیسی، همچنان در بسیاری از کاربردهای آزمایشگاهی و صنعتی مورد استفاده قرار میگیرند. همچنین استفاده آسان و قابلیت مشاهده مستقیم دما، از دیگر مزایای این تجهیزات محسوب میشود.
در هنگام خرید ترمومتر مایع در شیشه باید به نوع مایع داخلی، محدوده اندازهگیری، دقت، طول سنسور، جنس شیشه، وجود غلاف محافظ، نوع نصب، شرایط محیطی، استاندارد ساخت، گواهی کالیبراسیون و برند تولیدکننده توجه شود. انتخاب صحیح این مشخصات باعث افزایش دقت اندازهگیری و طول عمر تجهیز خواهد شد.
انتخاب تجهیزات اندازهگیری دما به عواملی مانند محدوده دمایی، دقت، سرعت پاسخ، شرایط محیطی، نوع فرآیند و هزینه بستگی دارد. هر یک از تجهیزات معرفیشده مزایا و محدودیتهای خاص خود را دارند و برای کاربرد مشخصی طراحی شدهاند.
| تجهیز | محدوده دما | دقت | سرعت پاسخ | تماس با جسم | کاربرد اصلی |
|---|---|---|---|---|---|
| ترموکوپل | تا حدود 1800°C | متوسط | بسیار سریع | دارد | کورهها، صنایع فولاد، پتروشیمی |
| RTD | تا حدود 850°C | بسیار بالا | متوسط | دارد | صنایع غذایی، دارویی، آزمایشگاهی |
| ترمیستور | تا حدود 300°C | بسیار بالا | سریع | دارد | تجهیزات پزشکی، الکترونیک |
| ترانسمیتر دما | وابسته به سنسور | بسیار بالا | سریع | وابسته به سنسور | انتقال اطلاعات به PLC و DCS |
| پایرومتر | تا بیش از 3000°C | بالا | آنی | ندارد | کورهها، فلزات مذاب، شیشه |
| دماسنج مادون قرمز | تا حدود 1200°C | بالا | بسیار سریع | ندارد | تعمیرات، برق، نگهداری |
| ترمومتر مایع در شیشه | تا حدود 350°C | مناسب | متوسط | دارد | آزمایشگاهها و تأسیسات |
انتخاب صحیح تجهیز اندازهگیری دما نقش مهمی در افزایش دقت فرآیند، کاهش هزینههای نگهداری و افزایش ایمنی تجهیزات دارد. اگر اندازهگیری دما در محیطهای بسیار گرم مانند کورههای صنعتی، خطوط ذوب یا صنایع فولاد انجام میشود، ترموکوپل یا پایرومتر بهترین انتخاب هستند. در مقابل، اگر فرآیند به دقت بسیار بالا نیاز داشته باشد، سنسور RTD گزینه مناسبتری خواهد بود.
برای تجهیزات الکترونیکی، باتریها و دستگاههای پزشکی، ترمیستور به دلیل حساسیت زیاد و ابعاد کوچک عملکرد بهتری دارد. همچنین در سیستمهای کنترل صنعتی، استفاده از ترانسمیتر دما باعث انتقال دقیق و بدون نویز اطلاعات به PLC، DCS یا اسکادا میشود. در مواردی که اندازهگیری بدون تماس ضروری باشد، مانند قطعات متحرک، تجهیزات برقدار یا سطوح بسیار داغ، پایرومتر و دماسنج مادون قرمز بهترین انتخاب خواهند بود.
در نهایت، هنگام خرید هر یک از این تجهیزات باید عواملی مانند محدوده دمایی، دقت اندازهگیری، سرعت پاسخ، نوع خروجی، شرایط محیطی، کلاس حفاظتی (IP)، استانداردهای بینالمللی، متریال بدنه، قابلیت کالیبراسیون و برند سازنده بررسی شود تا تجهیز انتخابشده بیشترین کارایی و طول عمر را در شرایط کاری مورد نظر داشته باشد.
